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CN111130167A - 氢燃料电池的电压转换设备 - Google Patents

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CN111130167A CN201911183527.1A CN201911183527A CN111130167A CN 111130167 A CN111130167 A CN 111130167A CN 201911183527 A CN201911183527 A CN 201911183527A CN 111130167 A CN111130167 A CN 111130167A
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彭旭
彭晖
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Abstract

本发明公开一种氢燃料电池的电压转换设备，该电压转换设备包括集成盒以及位于集成盒内部的电路板，集成盒上设置有电源接口、通信接口、高压输出接口和低压输出接口，电源接口可与氢燃料电池电连接；电路板上集成有内部电源、控制装置以及分别与控制装置通信连接的升压装置和降压装置，内部电源分别与电源接口和控制装置电连接，以可对控制装置进行供电；控制装置还与通信接口通信连接；升压装置的输入端与电源接口电连接，升压装置的输出端与高压输出接口电连接；降压装置的输入端与电源接口连接，降压装置的输出端与低压输出接口电连接。本发明有利于提高氢燃料电池供电系统的集成度和减少氢燃料电池供电系统的外围线路。

Description

氢燃料电池的电压转换设备
技术领域
本发明涉及氢燃料电池技术领域，特别涉及一种氢燃料电池的电压转换设备。
背景技术
众所周知，氢燃料电池是一种以氢气为燃料的清洁能源，而氢燃料电池也是作为未来清洁能源发展的方向之一。
现有的氢燃料电池供电系统通常包含有氢燃料电堆系统、升压部件、降压部件、高压控制分配盒、低压控制分配盒和电池管理系统部件。其中，氢燃料电堆所发的电能经过升压部件升压后进入高压转接盒。高压转接盒内部分成两路，一路进入BMS(电池管理系统)另一路进入DCL(降压模块)降压成24V驱动电堆散热风扇。
但是，现有方案中升压部件和降压部件均为独立部件，从而导致氢燃料电池供电系统存在连接线路多和占用空间大的问题。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种氢燃料电池的电压转换设备，旨在解决现有氢燃料电池供电系统存在连接线路多和占用空间大的技术问题。
为实现上述目的，本发明提出一种氢燃料电池的电压转换设备，该电压转换设备包括集成盒以及位于所述集成盒内部的电路板，所述集成盒上设置有电源接口、通信接口、高压输出接口和低压输出接口，所述电源接口可与氢燃料电池的输出端电连接；所述电路板上集成有内部电源、控制装置以及分别与所述控制装置通信连接的升压装置和降压装置，所述内部电源的输入端与所述电源接口电连接，所述内部电源的输出端与所述控制装置电连接，以可对所述控制装置进行供电；所述控制装置还与所述通信接口通信连接；所述升压装置的输入端与所述电源接口电连接，所述升压装置的输出端与所述高压输出接口电连接；所述降压装置的输入端与所述电源接口连接，所述降压装置的输出端与所述低压输出接口电连接。
优选地，所述电压转换设备还包括设置在所述集成盒内的正极接触器和负极接触器，且所述正极接触器和负极接触器还与所述控制装置通信连接，所述电源接口的正极通过所述正极接触器分别与所述内部电源、升压装置以及降压装置的输入端的正极电连接；所述电源接口的负极通过所述负极接触器分别与所述内部电源、升压装置以及降压装置的输入端的负极电连接。
优选地，所述电路板上还集成有与所述控制装置通信连接、用于保护所述正极接触器的预充电路，所述预充电路的输入端所述正极接触器的输入端电连接，所述预充电路的输出端与所述正极接触器的输出端电连接。
优选地，所述电路板上还集成有与所述控制装置通信连接、用于释放氢燃料电池系统残留电能的泄放电路，所述泄放电路的输入端与所述正极接触器的输出端电连接，所述泄放电路的输出端与所述负极接触器的输入端电连接。
优选地，还包括设置在所述集成盒内的冷水管，所述集成盒上对应设置有分别与所述冷水管的两端连接的进水接头和出水接头。
优选地，还包括用于检测所述冷水管内冷却液的温度的第一温度传感器，所述第一温度传感器与所述控制装置通信连接。
优选地，还包括用于检测所述集成盒内部温度的第二温度传感器，所述第二温度传感器与所述控制装置通信连接。
优选地，所述电源接口分别与所述升压装置和降压装置之间设置有用于输送电压的第一铜排；所述升压装置与所述高压输出接口之间设置有用于输送电压的第二铜排。
优选地，所述集成盒的表面设置有若干散热翅片。
优选地，所述集成盒上还设置有多个安装座，多个所述安装座围绕所述集成盒布置，且所述安装座上具有供螺钉穿过的贯穿孔。
本发明的有益效果在于：本发明的氢燃料电池的电压转换设备，将控制装置、升压装置和降压装置集合在集成盒内，通过一个控制装置分别控制升压装置和降压装置运行，从而提高了氢燃料电池供电系统的集成度、减少了氢燃料电池供电系统的外围线路以及降低了氢燃料电池供电系统的结构设计难度。
附图说明
图1为本发明氢燃料电池的电压转换设备一实施例的结构示意图；
图2为本发明氢燃料电池的电压转换设备的功能模块的逻辑关系图；
图3为图2中所示的电压转换设备的升压装置、降压装置、泄放电路、预充电路、正极接触器以负极接触器的电连接关系示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的方案进行清楚完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种氢燃料电池的电压转换设备，该电压转换设备包括集成盒10以及位于所述集成盒10内部的电路板20，所述集成盒10上设置有电源接口11、通信接口12、高压输出接口13和低压输出接口14，所述电源接口11可与氢燃料电池的输出端电连接；所述电路板20上集成有内部电源21、控制装置22以及分别与所述控制装置22通信连接的升压装置23和降压装置24，所述内部电源21的输入端与所述电源接口11电连接，所述内部电源21的输出端与所述控制装置22电连接，以可对所述控制装置22进行供电；所述控制装置22还与所述通信接口12电连接；所述升压装置23的输入端与所述电源接口11电连接，所述升压装置23的输出端与所述高压输出接口13电连接；所述降压装置24的输入端与所述电源接口11连接，所述降压装置24的输出端与所述低压输出接口14电连接。
本实施例中，如图1所示，集成盒10的大小可根据实际情况进行设置，优选集成盒10呈矩形盒状体，同时集成盒10优选采用铝基板围合而成。集成盒10上具有电源接口11、通信接口121、高压输出接口13和低压输出接口14，优选各个接口均位于集成盒10周向的同一侧面上，至于各个接口的形式采用现有相适配的型号即可，此时各个接口优选采用防水接头。电源接口11用于与燃料电池的电压输出端电连接，而电源接口11位于集成盒内部的部分分成三路，分别给升压装置23、控制装置22和降压装置24进行供电。通信接口12用于与汽车电脑或燃料电池控制系统进行通信，以方便电压转换设备与外部部件之间的信息传输。高压输出接口13可与动力电池BMS(动力电池管理系统)或动力装置电连接，以驱动汽车行驶。低压接口14可与燃料电池系统内的低压电源电连接，以供各个低压元件运行。
如图2所示，电路板20上集成有内部电源21、控制装置22、升压装置23和降压装24，各个部件均可采用现有装置进行布置。由于燃料电池输出电压的电压一般为100～250V，所以需要将燃料电池输出的电压变压后才能输出给控制装置使用，利用内部电源21提供稳定的低压直流电源供控制装置22运行，此时内部电源21的输入端与电源接口11电连接，内部电源21的输出端与控制装置22的供电接口电连接，内部电源21则根据实际需求选择相应规格的电源即可。当然，对控制装置22供电的方式还可以是利用降压装置24输出低压电压对控制装置22进行供电。控制装置22采用现有的控制芯片即可，如车用级的32位单片机(支持浮点运算)。其中，控制装置22与通信接口12的连接方式优选采用CAN总线进行通信。现有升压部件和降压部件均作为独立部件时，需要分别对其进行封装，并通过多根线缆与其他部件进行连接，同时需要在升压部件和降压部件内设置控制芯片，以控制电压的升压和降压。而在本实施例中，通过将升压装置23和降压装置24集合在集成盒10内进行统一封装，缩减升压装置23和降压装置24的封装数量和占用空间，使电压转换设备结构更紧密。控制装置22可以设置在升压装置23和降压装置24之间实现控制功能，控制升压装置23将电源输入的电压升压至动力电池所需的电压，并控制降压装置24对电压进行降压，以供氢燃料系统的低压元件如燃料电池的散热系统使用，减少电压转换系统的外围线路，降低结构设计的难度。其中，升压装置23和降压装置24均可采用的形式可为小型变压器，升压装置23输出电压的电压值稳定在537V左右，而降压装置24输出电压的电压稳定在24V左右。
本发明技术方案通过将控制装置22、升压装置23和降压装置24集合在集成盒10内，并采用同一个控制装置22分别控制升压装置23和降压装置24运行，从而提高了氢燃料电池供电系统的集成度，减少占用面积。同时，通过将控制装置22、升压装置23和降压装置24集合在集成盒10内还可以节省氢燃料电池供电系统的外围线路以及降低氢燃料电池供电系统的结构设计难度。
在一较佳实施例中，为了方便控制电源接口11供电电路的通断，还包括设置在集成盒10内的正极接触器27和负极接触器28，且正极接触器27和负极接触器28还与控制装置22通信连接。其中，电源接口11的正极通过正极接触器27分别与内部电源21、升压装置22以及降压装置23的输入端的正极电连接；电源接口11的负极通过负极接触器28分别与内部电源21、升压装置22以及降压装置23的输入端的负极电连接。从而方便通过控制装置22分别控制正极接触器27和负极接触器28的开合，以此实现电源接口11供电电路的通断。
在一较佳实施例中，如图2和图3所示，电路板20上还集成有预充电路25，预充电路25与控制装置22通信连接，且预充电路25的输入端与正极接触器27的输入端电连接，预充电路25的输出端与正极接触器27的输出端电连接。其中，优选预充电路25包括预充电阻和预充继电器，预充电阻的输入端与正极接触器27的输出端电连接，预充电阻的输出端与正极接触器27的输出端电连接，而预充继电器则与预充电阻串联即可，且预充继电器还与控制装置22通信连接，从而方便控制装置22控制预充继电器的开合，以此实现预充电路25的通断。本实施例中，当FCU(氢燃料电堆控制系统模块)需要接触时，控制装置向预充继电器发出预充继电器闭合指令，以使预充继电器闭合，并在预充继电器闭合后通知FCU，控制装置收到FCU发出的相应信号后发出正极接触器闭合指令，以控制正极接触器闭合，从而维持了正极接触器触点两端的电压，避免触点产生火花而损坏触点。
在一较佳实施例中，如图2和图3所示，电路板20上还集成有泄放电路26，泄放电路26与控制装置22通信连接，且泄放电路26的输入端与正极接触器27的输出端电连接，泄放电路26的输出端与负极接触器28的输入端电连接。其中，优选泄放电路26包括泄放电阻和泄放继电器，泄放电阻的输入端与正极接触器27的输出端电连接，泄放电阻的输出端与负极接触器28的输入端电连接，而泄放继电器与泄放电阻串联即可，且泄放继电器还与控制装置22通信连接。本实施例中，将泄放电路26集成在电路板20上，可以防止电压转换设备由于氢燃料电池系统停止输出后，氢燃料电池系统内部残余的氢气和氧气继续反应生成电能无处释放可造成质子交换膜的损害，泄放电路26可以消耗残留的氢气和氧气继续反应生成的电能，从而使氢气和氧气消耗殆尽。
在一较佳实施例中，如图1所示，集成盒10上具有进水接头15和出水接头16，进水接头15和出水接头16采用普通水管转接头即可，此时优选进水接头15和出水接头16位于集成盒10周向的同一侧面上，从而方便进水接头15和出水接头16分别与外部冷却液存储装置连通。优选进水接头15和出水接头16均与汽车自带的冷却系统连通。电压转换设备还包括位于集成盒10内的冷水管30，且冷水管30的两端分别与进水接头15和出水接头16连通，从而方便冷却水在冷水管30内循环。为了方便增加冷水管30的冷却效率，还可在冷水管30的表面设置冷却翅片，从而增加吸热面积，以达到增加散热效率的目的。当然还可以是冷水管30的表面呈凹凸状布置，即冷水管30的表面具有多个凸起和凹坑。其中，冷水管30的布置方式可以是流经所有散热片，通过将散热片的热量带走使系统功率芯片的热量维持在器件所能承受的温度范围内。在本实施例中，利用冷却液在冷水管30内循环，从而方便集成盒10内各个部件产生的热量跟随冷却液排出，以使集成盒10内部的温度保持在预设温度。
在一较佳实施例中，为了方便对集成盒10内进行降温，还包括用于检测冷水管30内部冷却液的温度的第一温度传感器，且第一温度传感器还与控制装置22通信连接，以方便将检测到的数据传输给控制装置22。第一温度传感器采用接触式传感器，第一温度传感器位于集成盒10内并与冷水管30连接，从而方便检测冷却水的温度。当控制装置22判断第一温度传感器检测的温度数值超过阈值时，则发送相应的信号给外部冷却水输送装置，以使外部冷却水输送装置增加冷水管30内冷却水的流速或降低外部冷却水输送装置输出的冷却水的温度。当然，第一温度传感器的数量还可以为两个，其中一个设置在冷水管30的进水口，另一个设置在冷水管30的出水口，以便于利用两个第一温度传感器检测的温度差检测冷水管30的散热性能。
在一较佳实施例中，为了方便对集成盒10内进行降温，还包括用于集成盒10电路板的第二温度传感器，且第二温度传感器还与控制装置22通信连接，以方便将检测到的数据传输给控制装置22。第二温度传感器采用非接触式传感器，第二温度传感器的位置优选为集成盒10内发热部件的区域，如升压装置23、降压装置24以及控制装置22附近，即第二温度传感器可以是集成在电路板20上，也可以是单独设置。当控制装置22判断出第二温度传感器检测到集成盒10内部的温度数值超过阈值时，则发送相应的信号给外部冷却水输送装置，以使外部冷却水输送装置增加冷水管30内冷却水的流速或降低外部冷却水输送装置输出的冷却水的温度。当然，为了精准检测各个发热部件区域的温度，优选第二温度传感器的数量为三个，分别布置在升压装置23、降压装置24以及控制装置22附近，从而方便检测各个部件区域内的温度，以避免出现单个部件过热的现象。
在一较佳实施例中，电源接口11分别与升压装置23和降压装置24之间设置有用于输送电压的第一铜排；升压装置23与高压输出接口13之间设置有用于输送电压的第二铜排。由于集成度较高的集成盒10内有较多的高压电路，如果使用电缆进行电路连接，车辆行驶过程中电缆容易与周围结构发生磨擦，从而导致线缆的绝缘层破损，给电压转换设备造成极大的安全隐患。在本实施例中，采用铜排走线简化了集成盒10的装配工艺，使得集成盒10内部的电路走线更加条理清楚，不仅美观，而且便于维修。由于铜排条本身具有较高的强度，使得集成盒10内的升压装置23和降压装置24的电压线路呈立体固定式，即使在发生较大振动的情况下，这种立体固定式结构仍然能够确保相近的铜排条之间具有安全的电气间隙，进一步提高了系统的安全性能。
在一较佳实施例中，为了进一步增加电压转换设备的散热性能，集成盒10的表面设置有若干散热翅片，从而增大散热面积以增加集成盒10的散热性能。其中散热翅片布置的形式可以是长条形片状体，并均匀布置在集成盒10的上表面，至于相邻两散热翅片之间间隔的距离可根据实际情况进行布置。
在一较佳实施例中，如图1所示，为了方便集成盒10安装在汽车上，还包括多个安装座40。优选安装座40的数量为四个，分别围绕集成盒10的周向均匀布置。其中安装座40上设置贯穿孔41，从而方便固定螺钉穿过该贯穿孔41与汽车连接，从而将电压转换设备固定在汽车上。其中，安装座40与集成盒10固定的方式优选采用可拆卸连接，如通过螺钉连接，当然，安装座40还可以是直接通过焊接固定在集成盒10上。
以上所述的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池的电压转换设备，其特征在于，包括集成盒以及位于所述集成盒内部的电路板，所述集成盒上设置有电源接口、通信接口、高压输出接口和低压输出接口，所述电源接口可与氢燃料电池的输出端电连接；所述电路板上集成有内部电源、控制装置和分别与所述控制装置通信连接的升压装置和降压装置，所述内部电源的输入端与所述电源接口电连接，所述内部电源的输出端与所述控制装置电连接，以可对所述控制装置进行供电；所述控制装置还与所述通信接口通信连接；所述升压装置的输入端与所述电源接口电连接，所述升压装置的输出端与所述高压输出接口电连接；所述降压装置的输入端与所述电源接口连接，所述降压装置的输出端与所述低压输出接口电连接。
2.根据权利要求1所述的电压转换设备，其特征在于，还包括设置在所述集成盒内的正极接触器和负极接触器，且所述正极接触器和负极接触器还与所述控制装置通信连接，所述电源接口的正极通过所述正极接触器分别与所述内部电源、升压装置以及降压装置的输入端的正极电连接；所述电源接口的负极通过所述负极接触器分别与所述内部电源、升压装置以及降压装置的输入端的负极电连接。
3.根据权利要求2所述的电压转换设备，其特征在于，所述电路板上还集成有与所述控制装置通信连接、用于保护所述正极接触器的预充电路，所述预充电路的输入端所述正极接触器的输入端电连接，所述预充电路的输出端与所述正极接触器的输出端电连接。
4.根据权利要求2所述的电压转换设备，其特征在于，所述电路板上还集成有与所述控制装置通信连接、用于释放氢燃料电池系统残留电能的泄放电路，所述泄放电路的输入端与所述正极接触器的输出端电连接，所述泄放电路的输出端与所述负极接触器的输入端电连接。
5.根据权利要求1所述的电压转换设备，其特征在于，还包括设置在所述集成盒内的冷水管，所述集成盒上对应设置有分别与所述冷水管的两端连接的进水接头和出水接头。
6.根据权利要求5所述的电压转换设备，其特征在于，还包括用于检测所述冷水管内冷却液的温度的第一温度传感器，所述第一温度传感器与所述控制装置通信连接。
7.根据权利要求1所述的电压转换设备，其特征在于，还包括用于检测所述集成盒内部温度的第二温度传感器，所述第二温度传感器与所述控制装置通信连接。
8.根据权利要求1所述的电压转换设备，其特征在于，所述电源接口分别与所述升压装置和降压装置之间设置有用于输送电压的第一铜排；所述升压装置与所述高压输出接口之间设置有用于输送电压的第二铜排。
9.根据权利要求1所述的电压转换设备，其特征在于，所述集成盒的表面设置有若干散热翅片。
10.根据权利要求1所述的电压转换设备，其特征在于，所述集成盒上还设置有多个安装座，多个所述安装座围绕所述集成盒布置，且所述安装座上具有供螺钉穿过的贯穿孔。
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