CN113795402A - 用于电驱动机动车的模块化增程器***，以及具有增程器的电驱动机动车 - Google Patents

用于电驱动机动车的模块化增程器***，以及具有增程器的电驱动机动车 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于电驱动机动车(52)的模块化增程器***(20)，包括多个燃料电池单元基本模块(10)，每一燃料电池单元基本模块(10)具有串联连接的多个燃料电池单元和用于供应氢气和空气以及用于排放水和残余气体的接口；以及介质供应装置，其被设计成经由所述接口向所述燃料电池单元基本模块(10)供应空气和氢气，并经由所述接口从所述燃料电池单元基本模块(10)排放水和残余气体；其中为了提供不同的输出和/或电压，不同数量的燃料电池基本模块(10)可按不同的串联和/或并联电路来彼此电连接，并且可与介质供应装置一起配置以形成增程器(22)的相应变型。本发明还涉及用于电驱动机动车(52)的车辆电气***的电路布置(40)以及具有此类电路布置(40)的电驱动机动车。

Description

用于电驱动机动车的模块化增程器***，以及具有增程器的 电驱动机动车
本发明涉及用于电驱动机动车的模块化增程器***，用于具有模块化增程器***的增程器的预定变型的电驱动机动车的车辆电气***的电路布置，以及具有此类电路布置的电驱动机动车。
归因于高电压电池的当前能量密度，电驱动机动车通常仍具有相对有限的续航里程。为了增大续航里程，已知在电动车中使用所谓的增程器，以增加续航里程。目前最常用的增程器有内燃机引擎，其驱动发电机，发电机进而向高电压电池和/或电驱动机器电机供电。
此外，具有多个燃料电池单元(fuel cell)的增程器也是已知的。所述增程器的一个优点是它们实际上是无排放的，因为氢和氧通常反应生成水。通常，这种基于燃料电池单元的增程器需要一个或多个压缩机，以便向燃料电池单元供应压缩空气。压缩机必须以相对复杂的方式来适配相应的增程器。此外，此类基于燃料电池单元的增程器与高电压电池的电气互连相对昂贵。
因此，本发明的目标是提供一种解决方案，通过该解决方案，基于燃料电池单元的增程器可以特别容易地适配不同的边界条件。
此目标是通过独立权利要求的主题来解决的。本发明的进一步的可能实施例在从属权利要求中示出。
根据本发明的用于电驱动机动车的模块化增程器***包括多个燃料电池单元基本模块，每一基本模块具有串联连接的多个燃料电池单元和用于供应氢气和空气以及用于排放水和残余气体的接口。此外，模块化增程器***包括介质供应装置，其被设计用于通过接口向燃料电池单元基本模块供应空气和氢气，并通过接口从燃料电池单元基本模块排放水和残余气体。为了提供不同的输出和/或电压，不同数量的燃料电池单元基本模块可在不同的串联和/或并联电路中彼此电连接，并且可与介质供应装置一起配置以形成增程器的相应变型。
在模块化增程器***中，必要的是，各个体燃料电池单元基本模块可以按每一应用实例的需要来通过相应的组合进行缩放以形成总体***，因此形成增程器的特定变型。借助各个体燃料电池单元基本模块的相应并联电路和串联电路，可以配置增程器的不同变型，这些变型例如在可提供的功率方面不同，但例如可提供相同的高电压。当然，还可能的是，燃料电池单元基本模块可按以下方式来互连：在增程器的不同变型的情况下能提供不同的电压。
燃料电池单元基本模块还可以包括各种各样的***和***组件，它们被集成到各个燃料电池单元基本模块以用于所述燃料电池单元基本模块的高度独立的功能。具体而言，在相应地适配各自边界条件的配置中，在增程器的相关变型中达到特别高的服务寿命和效率是可能的。尤其，这是可能的，因为适配该边界条件的设计可通过定义增程器的相关变型的工作点来达成。具体而言，为部分负载范围设计相应的增程器变型也是可能的。
具体而言，借助根据本发明的模块化增程器***，基于可相对便宜地生产的燃料电池单元基本模块来配置适配相应边界条件的增程器的变型是可能的。因此，基于燃料电池单元基本模块来配置和构建增程器的不同变型是可能的，这些变型在它们的输出和电压电平方面实际上可根据需要而有所不同。
例如，个体燃料电池单元基本模块可具有约100cm2的反应表面和约80个燃料电池单元。当然，不同地设计双极板的数量和表面以及燃料电池单元的数量也是可能的。例如，每一燃料电池单元基本模块的串联燃料电池单元可提供80V的开路电压和在满负荷工作时提供48V的电压。然而，取决于燃料电池单元基本模块的设计，其他开路电压和其他工作点也是可能的。
例如，借助模块化增程器***，为非常不同的车辆类型配置基于燃料电池单元的非常不同的增程器变型是可能的。因而，例如，可为电驱动多用途车提供功率特别大的增程器变型，并且基于相同的燃料电池单元基本模块为电驱动小型车配置功率较低的增程器变型也是可能的。个体燃料电池单元基本模块只需开发、测试和发布一次。随后，可以基于优选地标准化的燃料电池单元基本模块来配置增程器的所述不同变型。
具体而言，在模块化增程器***的基础上，为特定的电动车配置基于燃料电池单元的增程器是可能的，该增程器可以与电动车的高电压电池并联，而无需***DC电压转换器。因此，可以省去通常相当昂贵的DC电压转换器。实际上，基于模块化增程器***的相应地配置的增程器的电压电平可以非常容易地适配到相关高电压电池的电压电平，只需将各个体燃料电池单元基本模块以串联和并联电路适当地彼此连接即可。
本发明的一个可能的实施例规定燃料电池单元基本模块在其组件方面都具有相同的结构。具体而言，燃料电池单元基本模块全部具有相同的尺寸也是可能的。因而，燃料电池单元基本模块可以按特别经济高效的方式大量生产，因为它们都由相同的、优选地标准化的组件组成。
本发明的另一可能实施例规定燃料电池单元基本模块具有其自己的控制，其中所述控制可以在增程器的相应变型的公共硬件上运行。具体而言，这应理解为意指，该控制的软件不一定必须在与相应燃料电池单元基本模块相关联的硬件上运行，而是也可以作为软件(例如，作为主控制中的子程序)在增程器的控制单元上运行。这具有如下优点：不被局限于必须维护相应控制硬件的每一燃料电池单元基本模块。因此，所述自身控制可以理解为软件。因此，燃料电池单元基本模块可以非常容易地彼此更换，例如在更换模块出现故障的情况下，因此可以与迄今尚未安装的其他燃料电池单元基本模块进行更换。为此，用于控制燃料电池单元基本模式的控制、传感器***和/或软件——或者更高级的总体***的软件，因此是相关增程器变型的软件——无需被更改或适配。
本发明的又一可能实施例规定，燃料电池单元基本模块被设计为在每种情况下提供2至8kW续航里程内的输出。取决于安装在燃料电池单元基本模块中的膜电极单元的特性，燃料电池单元基本模块的相同反应表面的输出可能不同。目标是使所有燃料电池单元基本模块提供至少基本上完全相同的输出。作为结果，基于各个体燃料电池单元基本模块的增程器的不同变型的缩放或配置特别简单，因为它们提供至少基本相同的输出。优选地，燃料电池单元基本模块也全部具有相同的电压。
根据本发明的又一可能实施例，规定用于每一燃料电池单元基本模块的介质供应装置具有用于提供空气的单独空气压缩机。具体而言，如果所有燃料电池单元基本模块的设计相同或具有相同的结构，则完全相同的空气压缩机也可被用于所有燃料电池单元基本模块。尽管如此，尤其可能的是提供适合相应燃料电池单元基本模块的完全正确的空气压缩机，该空气压缩机被适配到该相应燃料电池单元基本模块的条件。对于空气压缩机，还可以特别容易地配置和组装用于增程器的特定变型的空气压缩***。事实上，对于特定变型，必须提供的空气压缩机数量与必须互连的燃料电池单元基本模块数量相同。因此，可省去用于增程器的不同变型的空气压缩装置的相应复杂且新的设计。
本发明的又一可能实施例规定，介质供应装置具有用于向诸燃料电池单元基本模块供应空气和氢气以及用于排放水、残余气体和空气的中央介质供应通道，其中诸燃料电池单元基本模块可在所述介质供应通道左侧和右侧耦合至该介质供应通道。除空气外，残余气体还含有未使用或未反应的氢气。借助这一标准化结构，在燃料电池单元基本模块配置非常不同的情况下，燃料电池单元基本模块可以容易地连接到介质供应通道。为此，介质供应通道具有标准化接口，它可与相应燃料电池单元基本模块的同样标准化的接口进行交互。因此，可以非常容易地将各个燃料电池单元基本模块在所述介质供应通道左侧和右侧耦合到该介质供应通道。例如，模块化增程器***可以具有不同壳体的一个或多个变型，其中中央介质供应通道可以集成到这些壳体中。取决于相关增程器的配置变型，可以选择带有相关联的介质供应的合适壳体变型。然后，各个体燃料电池单元基本模块只需连接到相关的介质供应通道即可。
根据本发明的又一可能实施例，规定在每种情况下，基本模块具有第一端板和第二端板，它们被布置在燃料电池单元基本模块的相对的端部并且在它们之间布置有相应的燃料电池单元，其中所述第一端板排他地具有用于供应空气和氢气以及用于排放水、残余气体和空气的接口。这使得所配置的增程器的相关变型具有特别紧凑的设计成为可能。另外，各个燃料电池单元基本模块上的所有接口可以保持相对很小，因为它们排他地集成到第一端板中。
本发明的又一可能实施例规定，在燃料电池单元基本模块内，燃料电池单元被置于两个电池单元堆中，这两个电池单元堆彼此相邻地布置并彼此串联地电连接，这些电池单元堆具有用于空气、氢气、水和残余气体的公共U形介质导管，其中每一基本模块的第二端板具有供介质导管从一个电池单元堆到另一电池单元堆的定向转向。借助相邻地布置的两个电池单元堆和U形介质导管，为各个体燃料电池单元基本模块产生了特别紧凑和平坦的设计。这种紧凑且特别短的设计保证了对机械负载且特别是对振动具有相对良好的鲁棒性。由于经堆叠的燃料电池单元的数量越少且因此设计越短，公差的影响就越小，因此短而紧凑的设计也使得制造更简单。另外，还可以实现燃料电池单元基本模块的高度自动化生产。
根据本发明的用于电驱动机动车的车辆电气***的电路布置包括基于根据本发明的模块化增程器***或根据本发明的模块化增程器***的可能实施例的增程器的预定变型、用于向机动车的电驱动机器供能的高电压电池，其中高电压电池和增程器互连而无需并联电路形式的DC电压转换器，并且增程器被设计来对高电压电池充电。此外，该电路布置包括开关装置，用于建立和断开增程器与高电压电池之间的导电连接。根据本发明的电路布置具有特定的优点，即免除通常本来需要的DC电压转换器是可能的，该DC电压转换器是相对昂贵的组件。因此，增程器的变型以如下方式来设计：一方面，它可以向高电压电池充电而不会出现任何问题，另一方面，它能以在增程器被连接或开启时不会损坏的方式来操作，尤其是增程器的各个膜不会损坏。例如，所述开关装置可以是MOSFET、晶体管或也可以是机械继电器，其中还可以提供续流(freewheeling)二极管作为安全元件。
根据本发明的电驱动机动车包括根据本发明的电路布置或电路布置的可能实施例。
电驱动机动车的可能实施例规定，用于向燃料电池单元基本模块提供空气的增程器的相应空气压缩机被布置在机动车中除相关联的燃料电池单元基本模块之外的其他点处。因此，虽然空气压缩机因此可被指派给相应的燃料电池单元基本模块，但它们不必本地地直接布置在燃料电池单元基本模块。这对现有安装空间或现有安装空间的利用具有非常有利的影响。各个空气压缩机可以单独地布置，或者也可以成组地组合布置在电驱动机动车的合适点处，特别是在空气压缩机具有足够空间且能够尽可能吸入环境空气的位置处。燃料电池单元基本模块可依次布置，例如组合在机动车中特别有利于碰撞的点处，在该点处它们也可对机动车的低重心产生积极影响。
借助下述附图描述了本发明的其他可能的优点、特征和实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，上述描述中提及的特征和特征组合以及下面在附图描述和/或附图中单独示出的特征和特征组合不仅可以用于每种情况中指示的组合，还可以用于其他组合或单独使用。
附图中示出了：
图1是燃料电池单元基本模块的示意性透视图，其具有串联连接的多个燃料电池单元并且被指派有用于供应空气的压缩机；
图2是多个燃料电池单元基本模块的示意表示，其中经组合的各组串联连接，其中所述组中的一些进而彼此并联连接；
图3是增程器的可能变型的示意俯视图，该变型已基于各个体燃料电池单元基本模块进行配置；
图4是燃料电池单元基本模块之一的俯视图，其中示意性地描绘了U形介质导管；
图5是电驱动机动车的车辆电气***的电路布置的高度示意性的表示，其包括增程器的变型和高电压电池的并联电路；以及
图6是电驱动机动车的示意表示，其具有包括燃料电池单元基本模块的增程器的变型。
在附图中，相同或功能上相同的元件具有相同的附图标记。
在图1中，以高度示意性的方式在透视图中描绘了燃料电池单元基本模块10。燃料电池单元基本模块10包括串联连接的多个燃料电池单元的堆12，也称为堆叠，且不作进一步详细说明。燃料电池单元包括相应的双极板和相应的所谓膜电极单元。附加地，燃料电池单元基本模块10包括第一端板14和第二端板16，堆12布置在这两个端板之间。
此外，燃料电池单元基本模块10包括在此未示出的用于供应氢气和空气以及用于排放水和残余气体的多个接口。由此可以规定，第一板14排他地形成一种即插即用前端，其具有所有接口。另外，压缩机18与燃料电池单元基本模块10相关联，其被用于向各个体燃料电池单元输送空气且因而输送氧气。然而，与本陈述相反，不要求压缩机18直接布置在燃料电池单元基本模块10上。相反，也可以规定压缩机18在安装期间布置在相关机动车中与燃料电池单元基本模块10完全不同的点处。仅必须确保借助对应的管路或管道压缩机18能够将空气且因而将氧气输送至燃料电池单元基本模块10。
在图2中，描绘了多个燃料电池单元基本模块10。为了提供不同的输出和/或电压，不同数量的燃料电池单元基本模块10可在不同的串联和/或并联电路中彼此电连接，并且可与(在此未示出的)介质供应装置一起配置以形成增程器的相应变型。此处未示出的所述介质供应装置被设计成经由相应燃料电池单元基本模块10的所提及的接口来供应空气和氢气，并经由这些接口从相应燃料电池单元基本模块10排放水和残余气体。
在本例中，示意性地示出了彼此串联的燃料电池单元基本模块10的若干组19。例如，对于每个组19，许多燃料电池单元基本模块10彼此串联连接，使得它们可以提供例如480V的电压和24kW的输出。当然，另一互连也是可能的。通过并联连接各个组19，在电压保持相同的情况下增加可提供的输出是可能的。原则上，通过各个体燃料电池单元基本模块10的对应互连来针对每一应用实例进行输出的任何缩放是可能的。
例如，个体燃料电池单元基本模块可具有约100cm2的反应表面和约80个个体燃料电池单元。其他表面和数目也是可能的。因此，例如，各燃料电池单元基本模块10可提供80V的开路电压和在满载下提供48V的电压是可能的，其中燃料电池单元基本模块10可被设计成例如提供2至8kW范围内的输出。其他电压和输出也是可能的，具体地，取决于各个体燃料电池单元基本模块10中的所选择或安装的膜电极单元。
具体而言，可规定燃料电池单元基本模块10在其组件方面都具有相同的结构。因此，燃料电池单元基本模块10形成高度标准化的单元，其中相同的组件安装在各个位置。这使得能够以相对低的采购和生产成本来达到高的规模经济。因此，各个体燃料电池单元基本模块10以及所提及的介质供应装置共同形成模块化增程器***20，其中取决于边界条件或应用实例，经标准化的燃料电池单元基本模块10可按各种各样的配置来互连。在每一情形中，燃料电池单元基本模块都可以有它们自己的控制，其中所述控制可以例如在增程器的特定配置的变型的公共硬件上运行。
在图3中，增程器22的可能变型在俯视图中以高度示意性的方式示出，其已基于各个体燃料电池单元基本模块10被配置或组装。仅作为示例，各个体燃料电池单元基本模块10全部已彼此串联。示意性地指示了这样配置的增程器22的负极24和正极26。各燃料电池单元基本模块10布置在外壳28中。前述介质供应装置包括用于向各燃料电池单元基本模块10供应空气和氢气以及排放水、残余气体和空气的中央介质供应通道30。如可看出的，各个体燃料电池单元基本模块10布置在介质供应通道30的左侧和右侧并耦合到介质供应通道30。为此，介质供应通道30包括未详细示出的接口，其可与上述各个体燃料电池单元基本模块10的接口相互作用。
在图4中，在俯视图中示意性地描绘了安装在增程器22中的燃料电池单元基本模块10之一。与图1和图2中所示的实施例不同，在此未详细描述的燃料电池单元位于该燃料电池单元基本模块10内的两个电池堆32、34中，这两个电池堆彼此相邻地布置并串联地电气连接。燃料电池单元基本模块10包括仅示意性指示的用于空气、氢气、水和残余气体的U形介质导管36，其中第二端板16具有用于介质导管从一个到另一个电池堆34、32的定向转向38。第一端板1依次具有专用接口(在此未详细描述)，用于供应空气和氢气以及排放水和残余气体。
这使得燃料电池单元基本模块10的设计特别紧凑。具体而言，因此，对于基于这样设计的燃料电池单元基本模块10来配置的增程器22，可达到特别平坦的设计和短的设计。
在图5中，以高度示意性的方式描绘了用于电驱动机动车的车辆电气***(未更详细地示出)的电路布置40。电路布置40包括基于所述模块化增程器***20的增程器22的预定变型。此外，电路布置40包括用于向相关机动车的电驱动机器44供能的高电压电池42。还示意性地示出了与电驱动机器44相关联的变频器46。高电压电池42和增程器22以并联电路的形式在无需DC电压转换器的情况下互连，其中增程器22被设计成对高电压电池42充电。
用于在增程器22和高电压电池42之间建立和断开导电连接的电路布置48也是电路布置40的一部分。开关装置48例如可以是MOSFET、晶体管或机械继电器。还可以提供一个或多个续流二极管50作为安全元件。由于电路布置40不具有DC电压转换器的事实，因此可以节省安装空间和相应的成本。可以通过对应地合适的预测调节或控制来确保当增程器22接通时，它仍然没有损坏。
在图6中，以高度示意性的方式描绘了电驱动机动车52。还示意性地示出了电路布置40的一部分。还示意性地示出了若干个前面提到的空气压缩机18。空气压缩机18被指派给增程器22的相关或配置变型的各个体燃料电池单元基本模块10(未示出)。空气压缩机18可经由对应的通道或管路将吸入的空气输送至各个体燃料电池单元基本模块10。因此，如前所述，空气压缩机18不必直接布置在燃料电池单元基本模块10上。相反，空气压缩机18可以布置在机动车52中的其他合适点处，尤其是在空间条件允许其特别好的地方，并且同时可以借助空气压缩机18特别好地吸入环境空气。
各个体燃料电池单元基本模块10可进而按照有利的车辆重心和机动车52中其他点的有利包装来进行布置。各个体空气压缩机18可以例如以压缩机模块的形式组合。取决于增程器22的配置，且尤其是取决于安装在其中的燃料电池单元基本模块10的数量，要使用的空气压缩机18的数量可以变化。因此，空气压缩机18的数量与燃料电池单元基本模块10的数量精确对应。
附图标记列表
10燃料电池单元基本模块
12串联连接的燃料电池单元的堆
14第一端板
16第二端板
18空气压缩机
19串联连接的燃料电池单元基本模块的组
20模块化增程器***
22增程器的变型
24增程器的负极
26增程器的正极
28增程器的外壳
30中央介质供应通道
32电池单元堆
34电池单元堆
36 U形介质导管
38介质导管的定向转向
40电路布置
42高电压电池
44电驱动机器
46变频器
48开关装置
50续流二极管
52机动车

Claims (11)

1.一种用于电驱动机动车(52)的模块化增程器***(20)，包括
-多个燃料电池单元基本模块(10)，每一燃料电池单元基本模块(10)具有串联连接的多个燃料电池单元和用于供应氢气和空气以及用于排放水和残余气体的接口；
-介质供应装置，其被设计成经由所述接口向所述燃料电池单元基本模块(10)供应空气和氢气，并经由所述接口从所述燃料电池单元基本模块(10)排放水和残余气体；
-其中，为了提供不同的输出和/或电压，不同数量的燃料电池单元基本模块(10)能以不同的串联和/或并联电路来彼此电连接，并且能与所述介质供应装置一起配置以形成增程器(22)的相应变型。
2.根据权利要求1所述的模块化增程器***(20)，
其特征在于，
所述燃料电池单元基本模块(10)在其组件方面全部具有相同的结构。
3.根据权利要求1或2所述的模块化增程器***(20)，
其特征在于，
所述燃料电池单元基本模块(10)具有其自己的控制，其中所述控制能在所述增程器(22)的相应变型的公共硬件上运行。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的模块化增程器***(20)，
其特征在于，
所述燃料电池单元基本模块(10)被设计成在每一情形中提供2至8kW范围内的输出。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的模块化增程器***(20)，其特征在于，
每一燃料电池单元基本模块(10)的所述介质供应装置具有用于提供空气的独立空气压缩机(18)。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的模块化增程器***(20)，
其特征在于，
所述介质供应装置具有用于向所述燃料电池基本模块(10)供应空气和氢气以及用于排放水和残余气体的中央介质供应通道(30)，其中所述燃料电池单元基本模块(10)能在所述介质供应通道(30)左侧和右侧耦合至所述介质供应通道。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的模块化增程器***(20)，其特征在于，
所述燃料电池单元基本模块(10)各自具有第一端板(14)和第二端板(16)，所述第一端板(14)和第二端板(16)被布置在所述燃料电池单元基本模块(10)的相对的端部，并且在所述第一端板(14)和第二端板之间布置有相应的燃料电池单元，其中所述第一端板(14)排他地具有用于供应空气和氢气以及用于排放水的接口。
8.根据权利要求7所述的模块化增程器***(20)，
其特征在于，
在所述燃料电池单元基本模块(10)内，燃料电池单元被定位在两个电池单元堆(32，34)中，这两个电池单元堆(32，34)彼此相邻地布置并串联地彼此电气连接，其具有用于空气、氢气、水和残余气体的公共U形介质导管(36)，其中每一基本模块的所述第二端板(16)具有用于供介质导管(36)从一个电池单元堆(32，34)到另一电池单元堆(32，34)的定向转向(38)。
9.一种用于电驱动机动车(52)的车辆电气***的电路布置(40)，包括
-基于根据前述权利要求中的任一项所述的模块化增程器***(20)的增程器(22)的预定变型；
-用于向所述机动车(52)的电驱动机器(44)供能的高电压电池(42)；
-其中所述高电压电池(42)和所述增程器(22)以并联电路的形式互连而无需DC电压转换器，并且所述增程器(22)被设计成对所述高电压电池(42)充电；
-开关装置(48)，用于在所述增程器(22)和所述高电压电池(42)之间建立和断开导电连接。
10.一种电驱动机动车(2)，包括根据权利要求9所述的电路布置(40)。
11.根据权利要求10所述的电驱动机动车(52)，
其特征在于，
所述增程器(22)的用于向所述燃料电池单元基本模块(10)提供空气的相应空气压缩机(18)被布置在所述机动车(52)中除相关联的燃料电池单元基本模块(10)以外的其他点处。
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