专利名称：燃料电池升压变换器的有共用磁通返回通路的感应器阵列的制作方法
技术领域：
质子交换膜燃料电池(PEMFC)为车辆的流行燃料电池。 PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极 和阴极通常包括支撑在碳颗粒上并与离聚物混合的细分的催化剂颗 粒，通常为铂(Pt)。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化 剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。 MEA的制造比较昂贵，需要特定的条件以有效操作。 燃料电池堆包括位于堆中多个MEA之间的 一 系列双极板， 其中所述双4及板和MEA位于两个端一反之间。双相j反包括用于电池堆中 的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设在双极板的 阳极侧，允许阳极反应气体流向相应的MEA。阴极气体流动通道设在双 极斗反的阴才及侧，允许阴才及反应气体流向相应的MEA。 一个端板包括阳招_
4气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由 导电材料制成，例如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电 流导出电池堆。 图2为包括U形感应器件的感应器芯的截面图，所述感 应器件在其间限定了间隙；图5为根据本发明实施例的感应器阵列的截面图，包括
共用共同的芯件和^兹通-各的三个感应器；以及
0016]图6为根据本发明另一实施例的感应器阵列的截面图， 感应器阵列包括具有共用芯件和磁通路的三个感应器，并包括限定多 个芯隙的多个中心芯件。
具体实施例方式
下面涉及升压变换器感应器阵列的本发明实施例的描述 实质上仅仅是示意性的，绝不是意图限制本发明或其应用和使用，其 中所述感应器阵列包括具有共用磁通路的感应器。例如，本发明的感 应器阵列可特别应用于燃料电池系统中的DC/DC升压变换器。但是， 本领域的普通技术人员应当理解，本发明的感应器阵列也可应用于其 它系统。 设置简化的DC/DC变换器26以将燃料电池堆电压升至总 线16a和16b的较高电压。DC/DC变换器26包括感应器阵列28和受控 转换网络30，其中转换网络30将感应器阵列28中的感应器38从高压 地转换为高压输出，以便以本领域内技术人员公知的方式升高燃料电 池堆电压。该转换方法作为升压变换是公知的。升压变换器可使用单感应器建立，或通过使用并行升压级中多个时移转换感应器来建立，
以使转换波动效应平滑。DC/DC变换器26提供了用于该目的的三相升 压变换器设计。 这类感应器的传统芯通常为提供良好磁场特性的冲压铁 片或其它铁磁材料片。为了降低在芯材料中的损耗，本领域内已知使 用具有优于常规铁的磁特性的非晶质合金材料。但是，对于由于材料 的脆性而使用标准低成本制造和分段切割工艺的燃料电池系统升压变 换器应用来说，非晶质合金无法经济地加工成件56、 58、 60和62所 需要的那么小的尺寸。 芯50的损失由仍为非晶质金属的大部分材料确定，而形 成件的更小间隙具有较高的单位损耗，但是在非常小的容积内，使得 它们对整体的损失贡献并不显著。非晶质铁和规则冲压铁片的磁特性， 尤其是饱和磁通量密度非常接近，使得芯性能不受任一种材料的限制。 将非晶质金属的优点与规则冲压件芯的优点相组合，允许使用更低的 成本、尺寸、重量和磁损失来建立更小的功率变换感应器。 图4为适于用作本领域内已知的这类系统10的感应器阵 列28的感应器阵列70的截面图。感应器阵列70包括壳体结构72，该 结构包括用于将阵列70安装在适当位置的安装孔74。感应器阵列70 具有三个间隔较近的感应器76,每个感应器76都包括具有U形端部件 78和80的,兹芯40,所述U形端部件在其间限定了间隙82。每个感应 器76都包括两个绕组84和86，所述绕组缠绕在端部件78和80的腿 部上，如图所示，并通过端部件78和80之间的中心孔88。线圏84和 86串联或并联地电连接在一起。在阵列70中具有三个感应器76，以 提供电压变换的平滑转变。特别地，感应器76使用限定了相位关系的 转换网络30来接入电路和从电路断开，使电压变换是平滑的转变，用 以转换线圈84和86。图5为根据本发明实施例的感应器阵列100的截面图， 包括壳体结构102和安装孔104。感应器阵列100包括三个感应器106、
8108和110。虽然对于该设计在感应器阵列100中是设置三个感应器， 但是这仅仅是作为复杂性相对于较高的感应器相位数平滑效果的折衷 的例子。本发明的这一部分可被提供给包括两个或更多感应器的感应 器阵列。感应器106包括线圈112和114，感应器108包括线圈116和 118，感应器110包括线圈120和122。根据本发明，相邻的感应器106、 108或110包括共用的芯件。特别地，感应器106与108共用芯件124， 感应器108与110共用芯件126。感应器106包括与芯件124相对的U 形端部芯件128，感应器110包括与芯件126相对的U形端部芯件130。 在感应器106的芯件124和128之间设置间隙132,在感应器108的芯 件124和126之间设置间隙134,在感应器110的芯件126和130之间 设置间隙136。 因为感应器106与108共用芯件且感应器108与110共 用芯件，所以阵列100中使用的芯材料量可比相同大小的感应器阵列 的阵列70中使用的芯材料量减少。因此，感应器阵列100的尺寸和重 量可比感应器阵列70降低。例如，对于一个特定的升压变换器应用， 阵列100的长度可为约215 mm,比阵列70的长度改进了 30%。另外， 通过组合上述芯件，感应器阵列100的电损失可比感应器阵列70的电 损失降低。
0031芯件124和126在感应器间隙之间的中间具有凹入部分 138,例如由两个背对背的U形元件形成。当至少部分地消除磁通时，
实施例中，那些凹入部分可显著地小，以进一步降低芯件124和126 的尺寸，从而降低阵列100的成本和重量。
0032] 图6为根据本发明另一实施例的感应器阵列140的截面 图，其合并了图3中所示芯50的设计和图5中所示感应器阵列100中 的芯设计的优点。特别地，感应器阵列140包括三个感应器142、 144 和146。感应器142和144共用类似于芯件124的芯件148，感应器144和146共用类似于芯件126的芯件150。感应器142包括端部芯件162， 感应器146包括端部芯件164。另外，感应器142包括限定三个间隙 154的中心芯件152 ，感应器144包括限定三个间隙158的中心芯件156, 感应器146包括限定三个间隙162的中心芯件160。如上，芯件148和 150可为非晶质合金，中心芯件152、 156和160可为形成叠层件的冲 压金属芯件，允许方便制造。 前面的描述仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本 领域内的技术人员从这种描述和附图
及权利要求可容易地认识到，在 不脱离由所附权利要求限定的本发明的宗旨和范围的情况下可进行各 种变化、修改和改型。
权利要求
1.一种感应器阵列，包括彼此相邻定位的多个感应器，每个感应器都包括由不止一个芯件限定的感应器芯，其中两个相邻的感应器共用提供共用磁通路的公共芯件。
2. 如权利要求l所述的感应器阵列，其中所述多个感应器为三个感 应器，包括位于两个端部感应器之间的中心感应器，其中所述中心感 应器与其中一个所述端部感应器共用一公共芯件，与另一所述端部感 应器共用一公共芯件。
3. 如权利要求l所述的感应器阵列，其中所述公共芯件构造为两个 U形元件，所述两个U形元件背靠背定位，限定了凹入的中心区域。
4. 如权利要求l所述的感应器阵列，其中每个感应器都包括多个中 心芯件，在所述中心芯件之间限定了多个间隙。
5. 如权利要求4所述的感应器阵列，其中所述端部芯件由非晶质合 金制成，所述中心芯件由冲压金属片叠置而成以形成叠层结构。
6. 如权利要求5所述的感应器阵列，其中所述非晶质合金为铁合金。
7. 如权利要求5所述的感应器阵列，其中所述沖压金属中心芯件为 沖压硅铁。
8. 如权利要求l所述的感应器阵列，其中所述感应器阵列为DC/DC 升压变换器的一部分。
9. 如权利要求8所述的感应器阵列，其中所述DC/DC升压变换器为 燃料电池系统的一部分，并且电连接到燃料电池堆。
10. —种感应器阵列，包括彼此相邻对齐的三个感应器，每个感应 器都包括由不止 一 个芯件及芯件之间至少 一 个间隙限定的感应器芯， 其中中心感应器与第一端部感应器共用第一共用芯件，与第二端部感 应器共用第二共用芯件，所述第一和第二共用芯件构造为具有凹入中 心区域的背靠背U形元件，并且其中所述第一端部感应器包括第一端部 芯件，所述第二端部感应器包括第二端部芯件。
11. 如权利要求10所述的感应器阵列，其中每个感应器都包括多个 中心芯件，在所述中心芯件之间限定了多个间隙。
12. 如权利要求ll所述的感应器阵列，其中所述第一和第二端部芯 件由非晶质合金制成，所述中心芯件及所述第 一和第二共用芯件由形成为叠层结构的冲压金属片制成。
13. 如权利要求12所述的感应器阵列，其中所述非晶质合金为铁合金。
14. 如权利要求12所述的感应器阵列，其中所述沖压金属中心芯件、 第一和第二共用芯件为冲压硅铁。
15. 如权利要求10所述的感应器阵列，其中所述感应器阵列为DC/DC升压变换器的一部分。
16. 如权利要求15所述的感应器阵列，其中所述DC/DC升压变换器为燃料电池系统的 一部分，并且电连接到燃料电池堆上。
17. —种用于DC/DC升压变换器的感应器阵列，所述感应器阵列包 括彼此相邻对齐的三个感应器，每个感应器都包括由不止一个芯件限 定的感应器芯，其中中心感应器与第一端部感应器共用第一共用芯件， 与第二端部感应器共用第二共用芯件，所述第一和第二共用芯件构造 为具有凹入中心区域的背靠背U形元件，其中所述第 一端部感应器包括 第一端部芯件，所述第二端部感应器包括第二端部芯件，其中每个感 应器都包括多个中心芯件，在所述中心芯件之间限定了多个间隙，其 中所述第一和第二端部芯件及所述第一和第二共用芯件第一和第二共 用芯件由非晶质合金制成，所述中心芯件由冲压金属片制成形成为叠 层结构。
18. 如权利要求17所述的感应器阵列，其中所述非晶质合金为铁合金。
19. 如权利要求17所述的感应器阵列，其中所述沖压金属中心芯件、 第一和第二共用芯件为沖压硅铁。
20. 如权利要求17所述的感应器阵列，其中所述升压变换器为燃料 电池系统。
全文摘要
本发明涉及燃料电池升压变换器的有共用磁通返回通路的感应器阵列。一种包括多个感应器的感应器阵列，其中相邻的感应器共用一芯件，因此共用磁通路，从而降低了阵列的尺寸和重量。在一个实施例中所述共用芯件形成为在芯件中心限定凹入区域的背靠背U形元件。在另一实施例中，各感应器中的多个小块状中心芯件在其间限定了多个间隙。
文档编号H01M8/00GK101674006SQ20091017072
公开日2010年3月17日 申请日期2009年9月9日 优先权日2008年9月9日
发明者S·赖泽, T·富格尔 申请人:通用汽车环球科技运作公司