高压接合单元、燃料电池系统电源及其制造方法与流程

高压接合单元、燃料电池系统电源及其制造方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年12月30日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2020-0187718号的优先权，在此通过引用将其全部合并于本文。
技术领域
3.本公开涉及一种燃料电池系统的高压接合单元和包括该高压接合单元的燃料电池系统的电源，并且更具体地，涉及一种具有燃料电池堆的输入端子和输出端子以及在高压接合单元处设置的转换器的电源。


背景技术：

4.众所周知，在配备有燃料电池系统的车辆中，反应气体(例如，用作燃料的氢气和包括用作氧化剂的氧气的空气)被供应到燃料电池堆以产生电力，利用该电力操作驱动电机以驱动车辆。
5.为此目的，燃料电池系统包括：燃料电池堆，被配置为通过反应气体之间的电化学反应产生电能；燃料处理系统(fps)，被配置为向燃料电池堆供应氢气作为燃料；空气处理系统(aps)，被配置为向燃料电池堆供应电化学反应所必需的空气，空气包括作为氧化剂的氧气；以及热管理系统(tms)，被配置为向外部排放作为燃料电池堆中的电化学反应的副产物的热，以最佳地控制燃料电池堆的操作温度并执行水管理功能。
6.除了燃料电池系统之外，燃料电池车辆还包括被配置为驱动车辆的驱动电机和作为辅助电源的电存储装置(超级电容器或电池)。电存储装置存储由燃料电池产生的电。由燃料电池产生的电或存储在电存储装置中的电被用于操作驱动电机。
7.在为车辆配备燃料电池堆及其相关零件、驱动电机(包括减速器)、功率分配单元(pdu)、电机控制单元(mcu)等时，需要考虑的事情很多。
8.首先，必须解决狭小的空间问题，必须最小化简单安装零件的数量以实现重量和成本的降低，并且必须考虑在布局和空间利用方面更有利的布置结构。
9.此外，由于在很小的空间内安装了大量的零件，因此必须考虑组装效率和可维护性来布置零件；否则，在车辆生产率和维护方面可能会发生效率低下的问题。
10.例如，燃料电池堆的输出电流和高压转换器的输出电流中的每一个都是几百安培的高电流。因此，在通过布线执行零件之间的电源连接的情况下，可能发生以下问题。
11.首先，必须提供多个连接器和电缆，从而可将零件之间的距离设置得更长。即，必须在零件的电源输入和输出端子处提供连接器，并且连接器之间必须使用电缆相互连接。此时，每根电缆都有最小曲率，可以在该处折断电缆。在执行最小曲率或更小曲率的设计的情况下，会发生过度的张力，从而组装困难。组装后，连接器和电缆可能由于施加在其上的张力而机械损坏。
12.第二，在电流超过连接器和电缆的允许电流的情况下，必须设置多个连接器/电缆。因此，电源连接结构复杂，从而组装效率下降。此外，由于零件数量的增加，重量和体积
增加。
13.第三，在电负载所使用的电压彼此不同的情况下，必须在作为电源的燃料电池堆处设置多个输出端子，并且还必须在高压接合单元处设置多个输入端子，从而结构非常复杂。
14.在该背景技术部分中包括的信息仅是为了增强对本公开的一般背景的理解，而不可被视为对该信息构成本领域技术人员已知的现有技术的承认或任何形式的建议。


技术实现要素：

15.本公开针对一种燃料电池系统的高压接合单元和包括该高压接合单元的燃料电池系统的电源，其基本上消除了由于相关技术的限制和缺点而导致的一个或多个问题。
16.本公开的目的是提供一种燃料电池系统电源，其组装结构简化，从而提高生产率。
17.本公开的另一个目的是提供一种燃料电池系统电源，其可维护性得到提高。
18.本公开的又一个目的是提供一种燃料电池系统电源，其维护被有效地执行。
19.为了解决这些问题而设计的本公开的目的不限于前述目的，并且本领域技术人员将基于本公开的以下详细描述清楚地理解其它未提及的目的。
20.根据本公开的燃料电池系统的高压接合单元的特征在于，在高压接合单元处一体地提供堆和转换器的输入端子和输出端子，频繁地将盖附接到高压接合单元和从高压接合单元拆卸，以维护和更换内部零件。
21.为了实现这些目的和其它优点，并根据本公开的目的，如本文所体现和广泛描述的，燃料电池系统的高压接合单元包括：在第一表面上的燃料电池输出端子接收凹槽，使得燃料电池堆的输出端子延伸到燃料电池输出端子接收凹槽中；高压转换器输入端子接收凹槽，其位于垂直于第一表面的第二表面上，从而与燃料电池输出端子接收凹槽相邻，使得高压转换器的输入端子延伸到高压转换器输入端子接收凹槽中；以及高压转换器输出端子接收凹槽，其在第二表面上，从而与高压转换器输入端子接收凹槽间隔预定距离，使得高压转换器输出端子延伸到高压转换器输出端子接收凹槽中。
22.高压接合单元可包括第一电路部分，该第一电路部分被配置为使用燃料电池堆的输出功率，以及第二电路部分，该第二电路部分被配置为使用高压转换器的输出功率。
23.高压转换器的输入端子可直接连接到在燃料电池输出端子接收凹槽中的燃料电池堆的输出端子。
24.燃料电池输出端子接收凹槽可进一步接收连接到第一电路部分的第一负载的输入端子。
25.第一负载可包括堆端电池加热器。
26.堆端电池加热器的输入端子可直接连接到在燃料电池输出端子接收凹槽中的燃料电池堆的输出端子。
27.第二电路部分可供应驱动电机、鼓风机功率控制单元、冷却剂供应泵和空气压缩机所需的功率。
28.在本公开的另一方面中，燃料电池系统电源包括：燃料电池堆，被配置为使空气中的氢气和氧气彼此反应以便发电；高压转换器，被配置为提升燃料电池堆的输出功率；以及高压接合单元，被配置为将燃料电池堆的输出功率传输到高压转换器，并且从高压转换器
接收高压功率，其中，高压接合单元具有被配置为同时接收燃料电池堆的输出端子和高压转换器的输入端子的结构。
29.燃料电池堆的输出端子和高压转换器的输入端子可在竖直方向上插入到高压接合单元中，并且可彼此直接连接。
30.应当理解，本公开的以上概述和以下详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在提供对所要求保护的本公开的进一步解释。
附图说明
31.包括附图以提供对本公开的进一步理解并且并入本技术并构成本技术的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
32.图1是示意性地示出根据本公开的燃料电池系统的电力网络拓扑的说明图；
33.图2是示意性地示出根据本公开的燃料电池系统电源的高压转换器的透视图；
34.图3是示意性地示出根据本公开的燃料电池系统电源的高压接合单元的透视图；
35.图4是示意性地示出根据本公开的燃料电池系统电源的燃料电池堆的透视图；
36.图5是示出根据本公开的燃料电池系统电源的制造过程的流程图；
37.图6是示出根据本公开的燃料电池系统电源的高压转换器和高压接合单元之间的耦合关系的透视图；
38.图7是示出图6所示的高压转换器和高压接合单元之间的耦合关系的平面图；
39.图8是示出在根据本公开的燃料电池系统电源中，高压转换器和高压接合单元在彼此耦合的状态下耦合到燃料电池堆的状态的透视图；
40.图9是示出根据本公开的燃料电池系统电源在耦合完成后的外观的透视图；以及
41.图10是示出在图9的状态下通过将盖耦合到高压接合单元来完成组装的状态的透视图。
具体实施方式
42.给出在本说明书中公开的本公开的实施例的具体结构或功能描述仅用于说明本公开的实施例。本公开的实施例可以以各种形式实现，并且不应被解释为限于在本说明书中公开的本公开的实施例。
43.由于可以对本公开的实施例进行各种修改并且可以具有各种形式，因此将在附图中示出并且在本说明书中将详细描述具体实施例。然而，根据本公开的概念的实施例不限于这样的具体实施例，并且应当理解，本公开包括落入本公开的思想和技术范围内的所有改变、等同物和替代物。
44.应当理解，尽管术语“第一”、“第二”等可以在本文中用于描述各种元件，但相应元件不应当被理解为受这些术语的限制，这些术语仅用于将一个元件与另一元件区分开。例如，在本公开定义的范围内，第一元件可被称为第二元件，并且类似地，第二元件可被称为第一元件。
45.应当理解，当部件被称为“连接到”或“耦合到”另一部件时，其可以直接连接到或耦合到另一部件，或者可以存在中间部件。相反，当部件被称为“直接连接到”或“直接耦合到”另一部件时，不存在中间部件。必须以相同的方式解释描述部件之间的关系的其他术
语，例如“之间”和“直接在...之间”或“与...相邻”和“与...直接相邻”。
46.提供本说明书中使用的术语仅是为了解释具体实施例，而无意于限制本公开。单数表示可包括复数表示，除非其表示与上下文绝对不同的意义。应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”、“具有”等指定所陈述的特征、数字、步骤、操作、元件、部件或其组合的存在，但不排除存在或附加一个或多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、部件或其组合。
47.除非另有定义，否则本说明书中使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。将进一步理解，诸如在常用词典中定义的术语应被解释为具有与其在相关技术和本公开的上下文中的含义一致的含义，并且除非本文明确如此定义，否则不以理想化或过于正式的意义来解释。
48.在不同地实现某个实施例的情况下，可以不同于流程图中指定的顺序地执行具体块中指定的功能或操作。例如，取决于相关的功能或操作，可以基本上同时执行两个连续块，或者可以以相反的顺序执行这些块。
49.图1是示意性地示出根据本公开的燃料电池系统的电力网络拓扑的说明图。如图所示，根据本公开的燃料电池系统的电源10包括燃料电池堆100、高压转换器200和高压接合单元300。
50.燃料电池堆100使空气中的氢气和氧气彼此反应，以产生具有约为348至640v电压的电。高压转换器200提升燃料电池堆100的输出。高压接合单元300将燃料电池堆100的输出功率传输到高压转换器200，并且从高压转换器200接收高压功率。
51.来自燃料电池堆100的电力通过燃料电池输出线l11和l12输出，并且通过转换器输入线l21和l22输入到转换器200。此外，来自燃料电池堆100的电力通过输入线l31和l32传输到堆端电池加热器140，以用作操作堆端电池加热器140所需的功率。
52.通过转换器输入线l21和l22输入到转换器200的第一高压功率具有大约600v的电压。高压转换器200通过直流-直流升压法将大约600v的第一高压功率转换为具有大800v的第二高压功率，并且通过输出线l41和l42输出第二高压功率。
53.由高压转换器200升压的第二高压功率被传输到高压接合单元300，并且分别通过第一负载线l51和l52以及第二负载线l61和l62提供给第一负载和第二负载。
54.第二高压功率通过第一负载线l51和l52被传输到需要大量功率的第一负载装置，例如驱动电机。第二高压功率通过第二负载线l61和l62被传输到需要相对低量功率的第一负载装置，例如鼓风机功率控制单元410和冷却剂供应泵420。
55.图2是示意性地示出根据本公开的燃料电池系统电源的高压转换器200的透视图。如图所示，转换器输入端子部分231和转换器输出端子部分232形成在高压转换器200的主体210的第一表面s21上。在高压转换器200的上表面设置被配置为保护内部电路的盖240。
56.在高压转换器200的第二表面s22(其连接到第一表面s21)设置多个第一连接部分211，每个第一连接部分211具有连接凹槽211a，其被配置为将高压转换器200的主体210连接到燃料电池堆100。在第一表面s21和第二表面s22之间的拐角处设置用于与高压接合单元300连接的第二连接部分212。
57.图3是示意性地示出根据本公开的燃料电池系统电源的高压接合单元的透视图。如图所示，在高压接合单元300的主体310中设置第一电路部分330和第二电路部分320。第一电路部分330具有被配置为在其中使用燃料电池堆100的输出功率的电路。
58.第二电路部分320具有被配置为在其中使用高压转换器的输出功率的电路。第二电路部分320包括驱动燃料电池车辆的驱动电机、鼓风机功率控制单元、冷却剂供给泵和空气压缩机所需的电路部分。
59.在高压接合单元300的主体310的底表面s31中形成燃料电池输出端子接收凹槽311，其被配置为接收燃料电池堆的输出端子。在与第一表面s31垂直的第二表面s32中形成高压转换器输入端子接收凹槽312，其邻近燃料电池输出端子接收凹槽311形成，并且被配置为接收高压转换器200的转换器输入端子部分231。
60.在高压接合单元300的第二表面s32中形成高压转换器输出端子接收凹槽312，其布置为与高压转换器输入端子接收凹槽312间隔开预定距离，并且被配置为接收转换器输出端子部分232。
61.在垂直于第二表面s21的第三表面s32的一侧设置多个第三连接部分315，每个第三连接部分211具有连接凹槽315a，其被配置为将高压接合单元300的主体310连接到燃料电池堆100。在第二表面s32和第三表面s33之间的拐角处提供用于与高压转换器200连接的第四连接部分314。尽管未示出，但是高压接合单元300自然具有被配置为保护内部电路的盖。
62.图4是示意性地示出根据本公开的燃料电池系统电源的燃料电池堆的透视图。如图所示，燃料电池堆100包括主体110和端板120。在燃料电池堆100的主体110的上表面中形成有用于与高压转换器200和高压接合单元300耦合的多个耦合凹部111a和112a。在燃料电池堆100的主体110的上表面设置端子部分130，该端子部分130是通过燃料电池堆100的输出端子131和堆端电池加热器输入端子132的突起而形成的。
63.图5是示出根据本公开的燃料电池系统电源的制造过程的流程图。图6是示出根据本公开的燃料电池系统电源的高压转换器和高压接合单元之间的耦合关系的透视图，并且图7是示出图6所示的高压转换器和高压接合单元之间的耦合关系的平面图。首先，将紧固到高压接合单元300的盖340的上部的螺栓移除，以使盖与高压接合单元300的主体310分离(s501)。
64.如图6和图7所示，高压转换器的第一表面s21和高压接合单元300的第二表面s32在水平方向上彼此耦合。此时，将在高压转换器200的第一表面s31上形成的转换器输入端子部分231插入到在高压接合单元300的第二表面s32中形成的高压转换器输入端子接收凹槽312中。将在高压转换器200的第一表面s21上形成的转换器输出端子部分232插入到在高压接合单元300的第二表面s32中形成的高压转换器输出端子接收凹槽313中。此时，将在高压转换器200的拐角处形成的第二连接部分212耦合到在与其对应的位置处形成的高压接合单元300的第四连接部分314。可以使用各种耦合方法。高压转换器200和高压接合单元300可以通过螺栓连接彼此耦合(s502)。
65.图8是示出在根据本公开的燃料电池系统电源中，高压转换器和高压接合单元在彼此耦合的状态下耦合到燃料电池堆的状态的透视图。如图所示，完成组装的高压转换器200和高压接合单元300被安置在燃料电池堆100的上部(s503)。高压转换器200和高压接合单元300竖直耦合到燃料电池堆100。此时，在燃料电池堆100的主体110的上表面中形成的多个耦合凹槽111a和112a，在高压转换器200的第二表面s22和其相对侧(未示出)形成的多个第一连接部分211的连接凹槽211a，以及在高压接合单元300的第三表面s33形成的多个
第三连接部分315的连接凹槽315a，在彼此竖直对齐的状态下彼此耦合。
66.从燃料电池堆100的主体110的上表面突出的端子部分130可插入到在高压接合单元300的底表面s31中形成的燃料电池输出端子接收凹槽311中。
67.根据本公开的高压接合单元300具有被配置为同时接收并互连高压转换器200的输入端子和燃料电池堆100的输出端子的结构。因此，可容易地执行组装和拆卸，由此可提高可维护性。
68.图9是示出根据本公开的燃料电池系统电源的外观的透视图。如图所示，转换器输入端子部分231插入到在高压接合单元300的第二表面s32中形成的输入端子接收凹槽312中，并且耦合到燃料电池堆100的输出端子131，其是构成燃料电池堆100的端子部分130的元件，被插入到在高压接合单元300的底表面s31中形成的燃料电池输出端子接收凹槽311中。燃料电池堆100的堆端电池加热器输入端子132可直接连接到在燃料电池输出端子接收凹槽311中的燃料电池堆100的输出端子131(s504)。插入到在高压接合单元300的第二表面s32中形成的输出端子接收凹槽313中的转换器输出端子部分232耦合到第二电路部分320的高压母线321(s505)。
69.在这种状态下，高压接合单元300的盖340可以被紧固，如图10所示，由此可以完成电源的组装。
70.如上所述，高压转换器的输出端子以及燃料电池堆的输出端子和堆端电池加热器输入端子可以在燃料电池输出端子接收凹槽中同时连接到其上。因此，可简化高压接合单元的组装结构，从而可提高生产率。此外，可以提高可维护性，从而可以有效地维护燃料电池车辆。
71.从以上描述显而易见的是，在根据本公开的燃料电池系统的高压接合单元和包括该高压接合单元的燃料电池系统的电源中，可简化其组装结构，从而可提高生产率。此外，可以提高可维护性，从而可以有效地维护燃料电池车辆。
72.尽管以上已经参考附图描述了本公开的示例性实施例，但是本领域技术人员将理解，本公开可以在不改变其技术思想或特征的情况下以各种其他实施例实施。