一种集成式燃料电池装置和车辆的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池系统电气集成领域，尤指一种集成式燃料电池装置和车辆。


背景技术：

2.燃料电池汽车是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车，能量转化效率高、无噪音、少污染，几乎不排放氮氧化合物。其动力方面的不同在于燃料电池车用的电力来自车载燃料电池装置，电动汽车所用的电力来自电网充电的蓄电池。
3.现有技术中可应用的燃料电池发动机系统普遍存在功率输出较小，系统集成度较低等问题，而且，目前燃料电池高压供电系统的各部件之间相互独立，通过高低压线束进行电气连接，因此，在车载运行条件下，难以满足稳定可靠的高功率输出和高集成度的与整车进行密切结合提供动力。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种集成式燃料电池装置和车辆，实现提高集成度、减小体积和重量，改善系统emc。
5.本实用新型提供的技术方案如下：
6.本实用新型提供一种集成式燃料电池装置，包括：
7.壳体；
8.壳体中设置有直流升压单元、直流降压单元、高速电机驱动器、低速电机驱动器以及供电分配单元；
9.所述壳体上设置有用于与燃料电池连接的供电接口、用于与空气机连接的第一电机接口、用于与氢循环泵连接的第二电机接口、用于与水泵控制器连接的供电接口、以及用于与动力电池连接的电池接口；
10.所述直流升压单元分别与所述供电接口、供电分配单元连接；
11.所述直流降压单元分别与所述直流升压单元、供电分配单元连接；
12.所述高速电机驱动器分别与所述供电分配单元、电池接口、第一电机接口连接；
13.所述低速电机驱动器分别与所述供电分配单元、电池接口、第二电机接口连接；
14.所述供电分配单元分别与所述直流升压单元、直流降压单元、高速电机驱动器、低速电机驱动器、供电接口以及电池接口连接。
15.进一步的，所述集成式燃料电池装置还包括：直流交流转换单元；所述壳体上还设置有交流电源接口；
16.所述直流交流转换单元分别与所述交流电源接口、直流降压单元、高速电机驱动器、低速电机驱动器和供电分配单元连接。
17.进一步的，所述直流升压单元连接所述供电接口的线路上并联有放电单元；
18.所述放电单元包括放电电阻。
19.进一步的，所述供电分配单元连接所述电池接口的线路上串联设置有预充电单元；
20.所述预充电单元包括第一开关、第二开关和预充电阻，所述预充电阻和第一开关串联后与所述第二开关并联。
21.进一步的，所述集成式燃料电池装置所述放电单元连接所述直流升压单元的线路上并联有高频阻抗检测单元，且串联有第二电流传感器，所述高频阻抗检测单元与所述第二电流传感器连接。
22.本实用新型还提供一种集成式燃料电池车辆，包括：
23.燃料电池、空压机、水泵、氢循环泵、用电设备、集成式燃料电池装置以及动力电池；
24.所述集成式燃料电池装置包括：壳体；
25.壳体中设置有直流升压单元、直流降压单元、高速电机驱动器、低速电机驱动器以及供电分配单元；
26.所述壳体上设置有用于与燃料电池连接的供电接口、用于与空气机连接的第一电机接口、用于与氢循环泵连接的第二电机接口、用于与水泵控制器连接的供电接口、以及用于与动力电池连接的电池接口；
27.所述直流升压单元分别与所述供电接口、供电分配单元连接；
28.所述直流降压单元分别与所述直流升压单元、供电分配单元连接；
29.所述高速电机驱动器分别与所述供电分配单元、电池接口、第一电机接口连接；
30.所述低速电机驱动器分别与所述供电分配单元、电池接口、第二电机接口连接；
31.所述供电分配单元分别与所述直流升压单元、直流降压单元、高速电机驱动器、低速电机驱动器、供电接口以及电池接口连接。
32.进一步的，所述集成式燃料电池装置还包括：直流交流转换单元；所述壳体上还设置有交流电源接口；
33.所述直流交流转换单元分别与所述交流电源接口、直流降压单元、高速电机驱动器、低速电机驱动器和供电分配单元连接。
34.进一步的，所述直流升压单元连接所述供电接口的线路上并联有放电单元；
35.所述放电单元包括放电电阻。
36.进一步的，所述供电分配单元连接所述电池接口的线路上串联设置有预充电单元；
37.所述预充电单元包括第一开关、第二开关和预充电阻，所述预充电阻和第一开关串联后与所述第二开关并联。
38.进一步的，所述集成式燃料电池装置所述放电单元连接所述直流升压单元的线路上并联有高频阻抗检测单元，且串联有第二电流传感器，所述高频阻抗检测单元与所述第二电流传感器连接。
39.通过本实用新型提供的一种集成式燃料电池装置和车辆，能够提高集成度、减小体积和重量，改善系统emc。
附图说明
40.下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种集成式燃料电池装置和车辆的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
41.图1是本实用新型一种集成式燃料电池装置的一个实施例的结构示意图；
42.图2是本实用新型一种集成式燃料电池装置的另一个实施例的结构示意图；
43.图3是本实用新型一种集成式燃料电池装置的一个实施例的电路结构框图。
具体实施方式
44.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本技术。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
45.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所述描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或集合的存在或添加。
46.为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
47.还应当进一步理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
48.另外，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
49.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
50.本实用新型的一个实施例，如图1所示，一种集成式燃料电池装置，包括：
51.壳体；
52.壳体中设置有直流升压单元10、直流降压单元40、高速电机驱动器50、低速电机驱动器20以及供电分配单元30；
53.所述壳体上设置有用于与燃料电池80连接的供电接口、用于与空气机连接的第一电机接口p5、用于与氢循环泵连接的第二电机接口p3、用于与水泵控制器连接的供电接口p7、以及用于与动力电池连接的电池接口p10；
54.所述直流升压单元10分别与所述供电接口、供电分配单元30连接；
55.具体的，所述直流升压单元10的第一端连接所述供电接口，第二端连接所述供电分配单元30，第三端连接所述高速电机驱动器50。所述直流升压单元10的第一端连接所述供电接口，第二端连接所述供电分配单元30，第三端连接所述高速电机驱动器50。直流升压单元10将燃料电池80输出电压升压至整车的蓄电池电压，以便匹配整车动力，需要水冷。此
外，直流升压单元10可将燃料电池80电堆产生的电能进行放电。直流升压单元10通过从燃料电池80取电得到高压直流电，对其进行升压变换处理后，通过电池接口p10为车辆的动力电池供电。
56.所述直流降压单元40分别与所述直流升压单元10、供电分配单元30连接；
57.具体的，所述直流降压单元40的第一端连接所述直流升压单元10，第二端连接所述供电分配单元30，第三端连接所述低速电机驱动器20。直流降压单元40将直流升压单元10输出的高压直流降压至低压直流，以便为用于燃料电池80系统内部的低压用电部件供电，需要水冷。直流降压单元40通过供电分配单元30从燃料电池80得到高压直流电，经过对该高压直流电进行降压处理后输出低压直流电，为车辆的低压用电设备供电。车辆的低压用电设备是指车辆上采用24v直流电压的设备，包括车辆的蓄电池、车辆仪表等。
58.所述高速电机驱动器50分别与所述供电分配单元30、电池接口p10、第一电机接口p5连接；
59.具体的，所述高速电机驱动器50的第一端连接所述直流升压单元10，第二端连接所述供电分配单元30，第三端连接所述电池接口p10，第四端连接第一电机接口p5。高速电机驱动器50与高速电机(例如与空气机所连接的第一电机)连接，能够驱动控制高速电机，需要水冷。高速电机驱动器50从供电分配单元30取电后为与空压机连接的第一电机供电，驱动第一电机使空压机开始工作，为了保证空压机的正常工作，本实施例中高速电机驱动器50的型号根据燃料电池80的输出电压，以及空压机工作时其第一电机的需求转速进行选择。
60.所述低速电机驱动器20分别与所述供电分配单元30、电池接口p10、第二电机接口p3连接；
61.具体的，所述低速电机驱动器20的第一端连接所述直流降压单元40，第二端连接所述供电分配单元30，第三端连接所述电池接口p10，第四端连接第二电机接口p3。低速电机驱动器20与低速电机(例如与水泵所连接的第二电机，或与氢循环泵所连接的第三电机)连接，能够驱动控制低速电机，需要水冷。
62.所述供电分配单元30分别与所述直流升压单元10、直流降压单元40、高速电机驱动器50、低速电机驱动器20、供电接口p7以及电池接口p10连接。
63.具体的，供电分配单元30(pdu，power distribution unit的缩写)用于实现燃料电池80系统的配电控制，包括空压机供电、水泵供电、氢循环泵供电及直流降压单元40取电等。通过供电分配单元30可使整车电源的安全性大大提高，不仅仅满足了车辆内用电设备电源输入的要求，而且承载功率大、使用方便、方便智能化管理。
64.本实施例中，空压机为燃料电池80电堆提供充足的空气(氧气)，所述供电分配单元30还可以与水泵连接接口连接，水泵连接接口连接用于控制水泵的电机控制器，水泵可为燃料电池80系统中需要水冷的部位(例如直流降压单元40、直流升压单元10、高速电机驱动器50、低速电机驱动器20)提供水冷环境。氢循环泵将未反应完全的氢气循环输送至燃料电池80电堆阳极，提高氢气利用率及电堆效率，通过大量氢气循环利用，保证燃料电池80内的水平衡，提升了电堆的反应效率，有效延缓电堆的寿命周期，并提高系统的经济性。直流升压单元10为将电堆的输出电压提升到合适电压输送给车辆的高压电机驱动器及动力电池，直流降压单元40为将直流升压单元10的输出电压降低到合适电压输送给车辆的低压电
机驱动器及动力电池。
65.传统解决方案每个功能块都是独立的，所以必须要有独立的防护壳体，独立的冷却结构，体积和重量就无法有效压缩或删减，而且各个功能块之间有电气连接，必须要有连接线束及接插件，也会占用空间，重量及成本，此外独立壳体需要独立的安装，安装工艺也无法有效简化，单独优化每个部件及高压线束屏蔽强度，设计复杂，成本增加，效果不彻底。本实用新型将直流升压单元10、直流降压单元40、高速电机驱动器50、低速电机驱动器20以及供电分配单元30集成设置，共用外壳及冷却结构，有限减小体积，降低重量，这样能够铜排形式连接，大大节省接插件占用空间及成本，即本实施例将直流升压单元10、直流降压单元40、高速电机驱动器50、低速电机驱动器20以及供电分配单元30集成在一个部件内，只需要考虑一个部件安装，大大简化安装工艺。多个高压电器件集成在一个金属壳体内，能有效降低燃料电池80系统零部件辐射发射，改善系统emc。
66.本实用新型集成化度高，功能全，兼容性强，减小总占用体积，提升系统功率密度，集成度高，总空间占用小，总重量轻，成本低，减少多个功能块壳体、连接线束及维护成本。本实用新型装配简单，多个功能块集成在一个模块，安装简单，系统emc指标提升，常挂放电电阻r2，可在dc故障或失控时，泄放电堆开路电压，提升燃电系统功能性，集成高速电机驱动及低速电机驱动，兼容性更强，高速电机驱动可用于驱动燃料电池80空压机，低速电机驱动可用于驱动燃料电池80系统氢循环泵或水泵。
67.基于前述实施例，所述集成式燃料电池装置还包括：直流交流转换单元(即图2所示的dc/ac单元70)；所述壳体上还设置有交流电源接口；
68.所述直流交流转换单元(即图2所示的dc/ac单元)分别与所述交流电源接口、直流降压单元40、高速电机驱动器50、低速电机驱动器20和供电分配单元30连接。
69.具体的，所述直流交流转换单元(即图2所示的dc/ac单元70)的第一端连接所述交流电源接口，第二端连接所述直流降压单元40，第三端连接所述高速电机驱动器50，第四端连接所述低速电机驱动器20，第五端连接所述供电分配单元30。直流交流转换单元(即图2所示的dc/ac单元70)与供电分配单元30连接，进而通过供电分配单元30将燃料电池80的直流电能转化为适宜民用或工业用交流电能，由于直流交流转换单元(即图2所示的dc/ac单元70)的第一端与交流电源接口连接，因此可将转换得到的交流电能输出，以供用户在车辆内对电子设备进行充电，无需用户携带充电宝，提高便利性。
70.基于前述实施例，所述直流升压单元10连接所述供电接口的线路上并联有放电单元；所述放电单元包括放电电阻r2。
71.具体的，直流升压单元10连接所述供电接口的线路上常挂放电电阻r2，能够泄放燃料电池80电堆的电荷。一般情况下，大量的电荷电能由直流升压单元10泄放，少量的电荷电能由常挂的放电电阻r2进行泄放，这样，即使直流升压单元10故障也可由放电电阻r2帮助燃料电池80电堆进行电能泄放。通过放电单元能够防止在燃料电池80系统启动或停机期间能量反灌至燃料电池80电堆，提高燃料电池80电堆的使用寿命。
72.优选的，放电单元包括放电电阻r2，放电电阻r2与燃料电池80正负极直接并联。在直流升压单元10连接所述供电接口的线路上并联有放电单元，放电单元包括放电电阻r2。当集成式燃料电池装置功能正常时，燃料电池80电堆残余能量主要通过直流升压单元10泄放，放电电阻r2辅助放电；当集成式燃料电池装置功能异常或急停时，放电电阻r2仍能对燃
料电池80电堆残余能量泄放，保护电堆。
73.基于前述实施例，所述供电分配单元30连接所述电池接口p10的线路上串联设置有预充电单元；
74.所述预充电单元包括第一开关relay1、第二开关relay2和预充电阻r1，所述预充电阻r1和第一开关relay1串联后与所述第二开关relay2并联。
75.具体的，设置预充电单元，能够防止充电启动时由于产生较大充电电流而损坏动力电池。其中，通过预充电单元可以实现通过燃料电池80的电能对动力电池进行预充，避免利用燃料电池80电堆启动过程时浪涌电流的产生。
76.在集成式燃料电池装置内部直流升压单元10连接电池接口p10的线路上并联有预充电单元，预充电单元包括第一开关relay1、第二开关relay2和预充电阻r1。在动力电池充电启动时，首先控制第一开关relay1闭合、第二开关relay2断开，此时直流升压单元10产生的电流在供电分配单元30控制下通过预充电阻r1流入到动力电池，当直流升压单元10与动力电池之间的电压达到设定值时控制第二开关relay2闭合、第一开关relay1断开，动力电池的预充电过程完成。由于预充电阻r1的限流作用，所以在启动过程中动力电池不会承受较大的冲击电流，能够保证动力电池充电启动过程的安全性能。
77.基于前述实施例，所述集成式燃料电池装置所述放电单元连接所述直流升压单元10的线路上并联有高频阻抗检测单元，且串联有第二电流传感器cs2，所述高频阻抗检测单元与所述第二电流传感器cs2连接。
78.具体的，所述放电单元连接所述直流升压单元10的线路上串联设置有第一电流传感器cs1。所述高频阻抗检测单元的第一端连接所述第一电流传感器cs1，所述高频阻抗检测单元的第二端和第三端分别与放电电阻r2的两端连接，由于放电电阻r2并联设置在直流升压单元10连接所述供电接口的线路上，即放电电阻r2的两端分别与燃料电池80的正负极连接，因此，高频阻抗检测单元的第二端和第三端分别与燃料电池80的正负极连接。通过高频阻抗检测单元检测燃料电池80电堆的高频阻抗，诊断燃料电池80电堆状态。
79.基于上述实施例，如图3所示，第二电流传感器cs2连接所述直流升压单元10的线路上串联有第三开关relay3和第四开关relay4。第三开关relay3和第四开关relay4用于控制燃料电磁80电堆输出正负极与直流升压单元10的连接，用于在集成体故障时切断连接保护燃料电磁80电堆，并在燃料电磁80电堆绝缘故障时，切断燃料电磁80电堆与外部电气连接，保证系统及整车绝缘安全。
80.此外，如图3所示，集成式燃料电池装置的壳体中还设置有低压直流供电接口(p1、p2)，以便用户根据为外接设备提供低压直流电进行供电。集成式燃料电池装置的壳体中还设置有低压供电通信接口(p4)，以便用户根据为外接设备提供低压供电的同时与车辆进行通信。集成式燃料电池装置的壳体中还设置有ptc连接接口(p6)，ptc连接接口与ptc热敏电阻(ptc是positive temperature coefficient的缩写，泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件)连接。集成式燃料电池装置的壳体中还设置有高压交流供电接口(p8、p9)，以便用户根据为外接设备提供高压交流电进行供电。集成式燃料电池装置的壳体中还设置有ac电源接口(p11)，以便用户根据为外接设备提供交流电进行供电，例如将手机、蓝牙耳机与ac电源接口(p11)连接充电。
81.本实用新型相对于现有技术中独立零部件或部分功能集成模块，不需要大电流线
束连接，体积及成本占用大，装配工艺复杂，多个分散高压部件及线束，作为多个分散辐射源，影响系统emc。本实用新型能有效简化压缩燃料电池80系统体积，减少重量，简化装配工艺，同时，本实用新型将多个高压电器件集成在一个金属壳体内，能有效降低燃料电池80系统各零部件本体及相互间连接线束的辐射发射，改善系统emc。
82.本实用新型的一个实施例，一种集成式燃料电池80车辆，包括：
83.燃料电池80、空压机、氢循环泵、用电设备、集成式燃料电池装置以及动力电池；
84.所述集成式燃料电池装置包括：壳体；
85.壳体；
86.壳体中设置有直流升压单元10、直流降压单元40、高速电机驱动器50、低速电机驱动器20以及供电分配单元30；
87.所述壳体上设置有用于与燃料电池80连接的供电接口、用于与空气机连接的第一电机接口p5、用于与氢循环泵连接的第二电机接口p3、用于与水泵控制器连接的供电接口p7、以及用于与动力电池连接的电池接口p10；
88.所述直流升压单元10分别与所述供电接口、供电分配单元30连接；
89.所述直流降压单元40分别与所述直流升压单元10、供电分配单元30连接；
90.所述高速电机驱动器50分别与所述供电分配单元30、电池接口p10、第一电机接口p5连接；
91.所述低速电机驱动器20分别与所述供电分配单元30、电池接口p10、第二电机接口p3连接；
92.所述供电分配单元30分别与所述直流升压单元10、直流降压单元40、高速电机驱动器50、低速电机驱动器20、供电接口p7以及电池接口p10连接。
93.具体的，本实施例是上述装置实施例对应的系统实施例，具体效果参见上述装置实施例，在此不再一一赘述。
94.基于前述实施例，所述集成式燃料电池装置还包括：直流交流转换单元(即图2所示的dc/ac单元70)；所述壳体上还设置有交流电源接口；
95.所述直流交流转换单元(即图2所示的dc/ac单元70)分别与所述交流电源接口、直流降压单元40、高速电机驱动器50、低速电机驱动器20和供电分配单元30连接。
96.具体的，本实施例是上述装置实施例对应的系统实施例，具体效果参见上述装置实施例，在此不再一一赘述。
97.基于前述实施例，所述直流升压单元10连接所述供电接口的线路上并联有放电单元；
98.所述放电单元包括放电电阻r2。
99.具体的，本实施例是上述装置实施例对应的系统实施例，具体效果参见上述装置实施例，在此不再一一赘述。
100.基于前述实施例，所述供电分配单元30连接所述电池接口p10的线路上串联设置有预充电单元；
101.所述预充电单元包括第一开关relay1、第二开关relay2和预充电阻r1，所述预充电阻r1和第一开关relay1串联后与所述第二开关relay2并联。
102.具体的，本实施例是上述装置实施例对应的系统实施例，具体效果参见上述装置
实施例，在此不再一一赘述。
103.基于前述实施例，所述集成式燃料电池装置所述放电单元连接所述直流升压单元10的线路上并联有高频阻抗检测单元，且串联有第二电流传感器cs2，所述高频阻抗检测单元与所述第二电流传感器cs2连接；
104.具体的，本实施例是上述装置实施例对应的系统实施例，具体效果参见上述装置实施例，在此不再一一赘述。
105.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各程序模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的程序模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的程序单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各程序模块可以集成在一个处理单元中，也可是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个处理单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件程序单元的形式实现。另外，各程序模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本技术的保护范围。
106.另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可能集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
107.应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。