本公开总体上涉及用于将富氢燃料转化为电力的电化学燃料电池系统。更具体地，本公开的方面涉及用于为车辆的电气化动力系统供电的车载燃料电池系统。
背景技术：
1、当前生产的机动车辆，例如现代汽车，最初配备有动力系统，其操作以推进车辆并为车辆的车载电子装置供电。例如，在汽车应用中，车辆动力系统通常以原动机为代表，该原动机通过自动或手动换档的动力传动装置将驱动扭矩传递到车辆的最终传动系统（例如差速器、车轴、角部模块、车轮等）。由于其易于获得和相对低成本、轻质以及整体效率，汽车历史上由往复活塞式内燃发动机（ice）组件提供动力。作为一些非限制性示例，这种发动机包括压缩点火（ci）柴油发动机、火花点火（si）汽油发动机、二冲程、四冲程和六冲程架构以及旋转发动机。另一方面，混合动力电动和全电动汽车（统称为“电动车辆”）利用替代功率源来推进车辆，从而最小化或消除对基于化石燃料的发动机的牵引功率的依赖。
2、混合动力电动和全电动动力系统采用各种架构，其中一些利用燃料电池系统（fcs）来产生所需电力，用于为车辆的电牵引马达供电。燃料电池是电化学装置，通常由接收氢气（h2）的阳极电极、接收氧气（o2）的阴极电极以及插入在阳极和阴极电极之间的电解质屏障组成。引发电化学反应以氧化fcs阳极侧的氢分子（氢气在氧化半电池反应中被催化分解），以产生自由电子（-）和自由质子（h+）。自由的氢质子通过电解质到达阴极，在阴极处，这些质子与阴极中的氧和电子发生反应，形成各种堆副产物。然而，来自阳极的自由电子不能通过电解质；这些电子在被发送到阴极之前被再次引导到负载，例如车辆的牵引马达和附件。
3、汽车应用中通常采用的燃料电池设计利用固体聚合物电解质膜（pem）（也称为“质子交换膜”）在阳极和阴极之间提供离子传输。质子交换膜燃料电池（pemfc）通常采用固体聚合物电解质（spe）质子传导膜，例如全氟磺酸膜，除了质子的传导之外，以分离产物气体并提供电极的电绝缘。阳极和阴极通常由支撑在碳颗粒上并与离聚物混合的精细分散的催化剂颗粒（例如铂）组成。这种催化剂混合物沉积在膜的侧面上以形成阳极和阴极层。阳极催化剂层、阴极催化剂层和电解质膜的组合限定膜电极组件（mea），其中阳极催化剂和阴极催化剂覆盖离子传导固体聚合物膜的相对面。为了产生用于给汽车供电所需的电力，多个燃料电池组装成燃料电池堆，以实现更高的输出电压并允许更强的电流消耗。例如，典型的燃料电池堆可能具有超过两百个堆叠的燃料电池。
4、随着混合动力和电动车辆变得越来越普遍，正在开发和部署基础设施，以使这种车辆的日常使用变得可行和方便。用于对这种电动车辆进行再充电的电动车辆供应设施（evse）以许多形式出现，包括由车主购买和操作（例如，安装在车主的车库中）的住宅电动车辆充电站（evcs）。其它evse示例包括通过公共设施或私人零售商（例如，在市政充电设施或商业充电站处）可用的可公共访问的evcs，以及由制造商、经销商和服务站使用的复杂高电压、高电流充电站。例如，插电式混合动力和电动车辆可以通过将evcs的充电电缆物理连接到车辆的互补充电端口来再充电。相比之下，无线充电系统利用电磁场（emf）感应或其它无线功率传输（wpt）技术来提供车辆充电能力，而无需充电电缆和电缆端口。不言而喻，大规模车辆电气化继而需要同时构建易于访问的充电基础设施，其支持城市和农村场景两者中的日常车辆使用，包括短距离和长距离车辆里程两者。
技术实现思路
1、本文提出了用于燃料电池车辆的直流快速充电器（dcfc）系统、用于制造这种系统的方法和用于操作这种系统的方法、以及配备有车载dc快速充电器的fcs机动车辆。作为示例，公开了商业级燃料电池电动车辆（fcev），其携带用于存放大量氢燃料的大型氢容器，氢燃料可用于车辆推进和为其它电动车辆充电两者。车载dcfc模块永久地或可拆卸地安装在主车辆上，可操作识别受让车辆（transferee vehicle）的充电需求和约束，并在向该车辆传输功率期间调节充电电压。dcfc模块可以利用sae dc2级充电电缆和j型插头来实现与受让车辆的连接和通信。dcfc模块中包含dc-dc转换器，位于接触器模块的上游，该接触器模块插入在充电电缆和转换器之间。dc-dc转换器调节从fcs接收的电压，该电压被升压或降压以匹配受让车辆的期望充电电压。接触器模块管理主车辆和受让车辆之间的电联接，同时监测充电电压并与受让车辆的电池充电模块（bcm）通信。高电压（hv）配电中心包含hv电路、总线或其它合适的连接，以将电功率从主车辆的fcs传输到其电气化动力系统和dcfc模块，以便对受让车辆充电。辅助功率模块（apm）包含降压电子装置和低电压（lv）电路、总线或其它合适的连接，以给dcfc模块内的各个硬件模块供电。
2、所公开构思中的至少一些的附带益处包括用于fcev的dcfc系统，其减少了对永久安装到私人/公共基础设施的大容量、基于电网的evcs的需求。可部署和可共享的车载dcfc模块消除了固定evcs的相关成本、维护、安装时间和专用空间。其它附带的益处可能包括使用fcs来实现车辆对车辆的充电，从而消除对可能昂贵（例如，功率因数和峰值需求惩罚）或不可用（例如，停电）的公共电网的依赖。对于电动车辆车主来说，这些移动dcfc系统通过实现广泛的充电器分布，提供了增加的行驶里程，同时减少了里程焦虑。
3、本公开的方面涉及用于配备有燃料电池系统的机动车辆（即，fcs车辆）的移动车辆对车辆充电系统。在示例中，提出一种用于安装到主车辆的车载直流快速充电器系统，主车辆配备有电气化动力系统和可操作以输出足以为车辆的电气化动力系统供电的fcs电压的燃料电池系统。该代表性车载dcfc系统包括电连接器，所述电连接器在物理上和电气上联接到请求/接收再充电的多个不同受让车辆中的任何一个。高电压配电单元包含电连接到主车辆的fcs和电气化动力系统的hvdc总线电路。dc-dc升压转换器电连接到hv总线电路，从而从hv配电单元接收主车辆fcs的输出电压；dc-dc转换器将fcs电压调整为受让车辆请求的再充电电压。接触器模块电连接到dc-dc转换器和电连接器两者，并且可操作以将dc-dc转换器选择性地连接到电连接器，以便将再充电电压传输到受让车辆。
4、本公开的附加方面涉及具有原始设备或售后市场车辆对车辆充电系统的fcs车辆。如本文所使用的那样，术语“车辆”和“机动车辆”可互换且同义地使用，以包括任何相关车辆平台，例如乘用车辆（ice、hev、fev、燃料电池、完全和部分自主等）、商用车辆、工业车辆、履带式车辆、越野和全地形车辆（atv）、摩托车、农用设施、船只、飞机等。在示例中，电动车辆包括具有乘客舱室的车辆车身、安装到车辆车身的多个车轮（例如，经由联接到承载式车身（unibody）或非承载式车身（body-on-frame）底盘的角部模块）、以及其它标准原始设备。电气化动力系统包含一个或多个车辆安装牵引马达，它们单独操作（例如，用于fev动力系统）或与内燃发动机组件（例如，用于hev动力系统）一起操作，以选择性地驱动一个或多个车轮，从而推进车辆。安装到车辆的驻留fcs氧化氢基燃料，从而产生fcs电压来为电气化动力系统供电。hv配电单元包含hvdc总线电路，其插入在车辆的fcs和电气化动力系统之间并电连接车辆的fcs和电气化动力系统。
5、继续前面示例的讨论，车辆配备有车载dcfc系统，用于为任何类型的受让车辆充电。dcfc系统总体上由电联接到受让车辆的电连接器和电连接到hv总线电路并从其接收通过hv配电单元传送的fcs输出电压的dc-dc转换器组成。dc-dc转换器将fcs电压调整为受让车辆请求的再充电电压。接触器模块插入在dc-dc转换器和电连接器之间并且电连接到dc-dc转换器和电连接器。接触器模块 将dc-dc转换器选择性地连接到电连接器，从而将调整的再充电电压传输到受让车辆。
6、本公开的方面还涉及dcfc控制逻辑、存储器存储的计算机可读介质（crm）和用于制造/使用fcs车辆的车辆对车辆充电系统的制造过程。在示例中，提出了一种用于将车载直流快速充电器系统组装到主车辆的方法。该代表性方法以任何顺序和与任何上文和下文公开的选项和特征的任何组合包括：制造、组装、接受或取回（统称为“接收”）电连接器，所述电连接器配置为电联接到与主车辆不同的受让车辆；将hv配电单元的hv总线电路电连接到主车辆的fcs和电气化动力系统；将dc-dc转换器电连接到hv总线电路，dc-dc转换器配置为接收来自hv配电单元的fcs电压并将fcs电压调整为受让车辆的再充电电压；以及将接触器模块电连接到dc-dc转换器和电连接器，所述接触器模块配置为将dc-dc转换器选择性地连接到电连接器，从而将再充电电压传输到受让车辆。
7、对于任何公开的系统、方法和车辆，dc-dc转换器可以包括电连接到hv总线电路的电升压电感器，以及电连接到升压电感器和接触器模块的hvdc大容量电容器。在这种情况下，升压电感器可以包括多个电感器电阻器，所述电感器电阻器彼此并联电连接并且跨过hvdc大容量电容器的正端和负端电连接。作为又一选项，dc-dc转换器还可以包括升压功率模块，所述升压功率模块电连接到升压电感器和hvdc电容器并且插入在升压电感器和hvdc电容器之间。该升压功率模块包括多个栅极端子开关和多个二极管；每个二极管可以串联电连接到电感器电阻器中的相应一个和栅极端子开关中的相应一个。
8、对于任何公开的系统、方法和车辆，接触器模块可以包括接触器盒，接触器盒具有电连接到hv总线电路的正总线线路的电控正接触器以及电连接至负总线线路的电控负接触器。接触器模块还可以包括电压和隔离电阻感测（iso）仪表，其电连接到接触器盒并且可操作以监测接触器模块的电压输出和系统的隔离电阻。作为又一选项，电熔断器可以放置在正和负接触器两者的下游；该熔断器在预定最大电压和/或电流时选择性地中断跨过正和负总线线路的电流。
9、对于任何公开的系统、方法和车辆，hv配电单元可以电连接在车辆fcs和dc-dc转换器之间，dc-dc转换器可以电连接在hv配电单元和接触器模块之间，并且接触器模块可以电连接在dc-dc转换器和电连接器之间。在另一个示例中，dc-dc转换器和接触器模块可以电连接到主车辆的辅助功率模块以从其接收apm电压，从而为dcfc系统的转换器和接触器模块的操作供电。车辆控制器域网（can）通信模块可以连接到dc-dc转换器和接触器模块。车辆can模块与受让车辆的车载电池充电模块（obcm）通信以从其接收充电数据，例如请求的再充电电压、充电约束、通信协议等。
10、对于任何公开的系统、方法和车辆，电连接器可以包括功率电缆，所述功率电缆在其一个（主车辆）端部联接到连接器模块并且在其另一（传输）端部联接到功率插头。功率插头可以包含各种连接器引脚，包括互补的hv直流（dc+）引脚、接近引脚、控制引导引脚等。在这种情况下，车辆can模块可以连接到功率插头并经由控制引导引脚与受让车辆的obcm通信。在一些示例中，车载dcfc系统是具有dcfc模块外壳的模块化单元，该dcfc模块外壳存储dc-dc转换器、接触器模块和电连接器。所述dcfc模块外壳在结构上配置成可拆卸地安装到车辆的车辆车身上。hv配电单元可以包括容纳hvdc总线的hv模块外壳、将hv总线电路的正和负总线线路选择性地电连接到车辆ress的第一组开关、以及将hv总线电路的正负总线线路选择性地电连接到dc-dc转换器的第二组开关。
11、方案1. 一种用于安装到车辆的车载直流快速充电器（dcfc）系统，车辆包括电气化动力系统和配置成输出fcs电压以为电气化动力系统供电的车辆燃料电池系统（fcs），车载dcfc系统包括：
12、电连接器，所述电连接器配置成安装到车辆且将车辆电联接到受让车辆；
13、高电压（hv）配电单元，配置成安装到车辆且包括配置成电连接到车辆fcs和电气化动力系统的hv总线电路；
14、dc-dc转换器，所述dc-dc转换器电连接到hv总线电路，且配置成从hv配电单元接收fcs电压且将fcs电压调整为受让车辆的再充电电压；以及
15、接触器模块，所述接触器模块电连接到dc-dc转换器和电连接器，并且配置成将dc-dc转换器选择性地连接到电连接器，从而将再充电电压传输到受让车辆。
16、方案2. 根据方案1所述的车载dcfc系统，其中，dc-dc转换器包括电连接到hv总线电路的升压电感器，以及电连接到接触器模块的高电压直流（hvdc）大容量电容器。
17、方案3. 根据方案2所述的车载dcfc系统，其中，升压电感器包括多个电感器电阻器，所述电感器电阻器彼此并联电连接并且电连接到hvdc大容量电容器。
18、方案4. 根据方案3所述的车载dcfc系统，其中，dc-dc转换器还包括升压功率模块，所述升压功率模块电连接到升压电感器和hvdc电容器并且插入在升压电感器和hvdc电容器之间，该升压功率模块包括多个栅极端子开关和多个二极管，每个二极管串联电连接到电感器电阻器中的相应一个和栅极端子开关中的相应一个。
19、方案5. 根据方案1所述的车载dcfc系统，其中，接触器模块包括接触器盒，接触器盒具有分别电连接到hv总线电路的正和负总线线路的电控正和负接触器。
20、方案6. 根据方案5所述的车载dcfc系统，其中，接触器模块还包括电压和隔离电阻感测仪表，其电连接到接触器盒并且配置成监测系统电阻和/或接触器模块的电压输出。
21、方案7. 根据方案6所述的车载dcfc系统，其中，接触器模块还包括电熔断器，位于正和负接触器的下游，且配置成在预定最大电压和/或电流时选择性地中断跨过正和负总线线路的电流。
22、方案8. 根据方案1所述的车载dcfc系统，其中，hv配电单元电连接在车辆fcs和dc-dc转换器之间，dc-dc转换器电连接在hv配电单元和接触器模块之间，并且接触器模块电连接在dc-dc转换器和电连接器之间。
23、方案9. 根据方案1所述的车载dcfc系统，其中，dc-dc转换器和接触器模块配置成电连接到车辆的辅助功率模块（apm）且从其接收apm电压，从而为dc-dc转换器和接触器模块的操作供电。
24、方案10. 根据方案1所述的车载dcfc系统，还包括连接到dc-dc转换器和接触器模块的车辆控制器域网（can）模块，车辆can模块配置成与受让车辆的车载电池充电模块（obcm）通信以从其接收指示再充电电压的数据。
25、方案11. 根据方案10所述的车载dcfc系统，其中，电连接器包括功率电缆，所述功率电缆联接到连接器模块和功率插头，功率插头包括hvdc线路引脚和控制引导引脚等，且其中，车辆can模块连接到功率插头并经由控制引导引脚与obcm通信。
26、方案12. 根据方案1所述的车载dcfc系统，还包括dcfc模块外壳，该dcfc模块外壳存储dc-dc转换器、接触器模块和电连接器，所述dcfc模块外壳配置成可拆卸地安装到车辆的车辆车身。
27、方案13. 根据方案1所述的车载dcfc系统，其中，hv配电单元包括容纳hvdc总线电路的hv模块外壳、将hv总线电路的正和负总线线路选择性地电连接到车辆fcs的第一组开关、以及将hv总线电路的正负总线线路选择性地电连接到dc-dc转换器的第二组开关。
28、方案14. 一种电动车辆，包括：
29、车辆车身；
30、附接到车辆车身的多个车轮；
31、电气化动力系统，附接到车辆车身且可操作驱动车轮中的一个或多个，从而推进电动车辆；
32、车辆燃料电池系统（fcs），附接到车辆车身且配置成氧化氢基燃料，从而产生fcs电压来为电气化动力系统供电；
33、电连接器，配置成电联接到受让车辆；
34、高电压（hv）配电单元，包括配置成电连接到车辆fcs和电气化动力系统的hv总线电路；
35、dc-dc转换器，所述dc-dc转换器电连接到hv总线电路，且配置成从hv配电单元接收fcs电压且将fcs电压调整为受让车辆请求的再充电电压；以及
36、接触器模块，所述接触器模块电连接到dc-dc转换器和电连接器，并且配置成将dc-dc转换器选择性地连接到电连接器，从而将再充电电压传输到受让车辆。
37、方案15. 一种用于将车载直流快速充电器（dcfc）系统组装到车辆的方法，车辆包括电气化动力系统和配置成输出fcs电压以为电气化动力系统供电的车辆燃料电池系统（fcs），所述方法包括：
38、将电连接器和hv配电单元安装到车辆，所述电连接器配置为将车辆电联接到受让车辆；
39、将hv配电单元的高电压（hv）总线电路电连接到车辆fcs和电气化动力系统；
40、将dc-dc转换器电连接到hv总线电路，dc-dc转换器配置为接收来自hv配电单元的fcs电压并将fcs电压调整为受让车辆的再充电电压；以及
41、将接触器模块电连接到dc-dc转换器和电连接器，所述接触器模块配置为将dc-dc转换器选择性地连接到电连接器，从而将再充电电压传输到受让车辆。
42、方案16. 根据方案15所述的方法，其中，dc-dc转换器包括电连接到hv总线电路的升压电感器、电连接到接触器模块的高电压直流（hvdc）大容量电容器、以及电连接到升压电感器和hvdc电容器并且插入在升压电感器和hvdc电容器之间的升压功率模块。
43、方案17. 根据方案16所述的方法，其中，升压电感器包括多个电感器电阻器，所述电感器电阻器彼此相互并联电连接并且电连接到hvdc大容量电容器，且其中，升压功率模块包括多个栅极端子开关和多个二极管，每个二极管串联电连接到电感器电阻器中的相应一个和栅极端子开关中的相应一个。
44、方案18. 根据方案15所述的方法，其中，接触器模块包括接触器盒，接触器盒具有分别电连接到hv总线电路的正和负总线线路的电控正和负接触器。
45、方案19. 根据方案18所述的方法，其中，接触器模块还包括电压和隔离电阻感测仪表，其电连接到接触器盒并且配置成监测系统电阻和/或接触器模块的电压输出。
46、方案20. 根据方案15所述的方法，还包括将车辆控制器域网（can）模块连接到dc-dc转换器和接触器模块，车辆can模块配置成与受让车辆的车载电池充电模块（obcm）通信以从其接收指示再充电电压的数据。
47、以上
技术实现要素：
并不旨在代表本公开的每个实施例或每个方面。相反，前述发明内容仅仅提供本文所阐述的一些新颖构思和特征的例示。当结合附图和所附权利要求书时，根据用于实施本公开的说明性示例和代表性模式的以下详细描述，本公开的上述特征和优点以及其它特征和伴随的优点将是显而易见的。此外，本公开明确地包括上文和下文所阐述的要素和特征的任何和所有组合和子组合。