專利名稱：使用混合電感器芯材的燃料電池應(yīng)用的dc-dc變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001 ]本發(fā)明總體上涉及包括提供多個間隙的多個中間芯段的
電感器，且更具體地涉及包括提供多個間隙的端部芯段和多個中間芯 段的電感器，其中，端部芯段由無定形合金制成以提供良好的磁性屬 性，且中間芯段是壓制板疊層結(jié)構(gòu)以便于制造。
背景技術(shù)：
氫是非常有吸引力的燃料，因為氫是清潔的且能夠用于 在燃料電池中有效地產(chǎn)生電力。氫燃料電池是一種電化學(xué)裝置，其包 括陽極和陰極，電解質(zhì)在陽極和陰極之間。陽極接收氬氣且陰極接收 氧或空氣。氫氣在陽極中分解以產(chǎn)生自由氫質(zhì)子和電子。氫質(zhì)子穿過 電解質(zhì)到達陰極。氫質(zhì)子與陰極中的氧和電子反應(yīng)產(chǎn)生水。來自于陽 極的電子不能穿過電解質(zhì)，且因而被引導(dǎo)通過負載，以在輸送至陰極 之前做功。 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是用于車輛的普遍燃料 電池。PEMFC通常包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，如全氟磺酸膜。 陽極和陰極通常包括細分的催化劑顆粒，通常是鉑(Pt)，所述催化劑 顆粒支承在碳顆粒上且與離聚物混合。催化劑混合物沉積在膜的相對 側(cè)上。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物和膜的組合限定了膜電 極組件(MEA) 。 MEA的制造相對昂貴且需要某些條件以有效操作。多個燃料電池通常組合成燃料電池堆以產(chǎn)生期望功率。 例如，車輛的典型燃料電池堆可以具有兩百或更多堆疊的燃料電池。 燃料電池堆接收陰極輸入氣體，通常是由壓縮機強制通過燃料電池堆 的空氣流。不是所有的氧都由燃料電池堆消耗，且一些空氣作為陰極 廢氣輸出，所述陰極廢氣可以包括作為燃料電池堆的副產(chǎn)物的水。燃 料電池堆也接收流入燃料電池堆的陽才及側(cè)的陽才及氬4lT入氣體。 大多數(shù)燃料電池車輛是混合動力車輛，混合動力車輛除 了燃料電池堆之外還采用補充功率源或可再次充電電能存儲裝置 (RESS)，如高壓DC蓄電池、超電容器或超級電容器。在系統(tǒng)啟動 和燃料電池堆不能提供期望功率時的高功率需求期間，所述RESS給各 種車輛輔助負載提供補充功率。燃料電池堆通過DC高壓總線提供功率 給電牽引馬達，以用于車輛操作。在需要超過燃料電池堆能夠提供的 附加功率時(例如在猛烈加速期間)，RESS提供補充功率給電壓總線。 例如，燃料電池堆可以提供70kW功率。然而，車輛加速可能需要IOO kW功率。在燃料電池堆能夠提供系統(tǒng)功率需求時，燃料電池堆用于給 RESS再次充電。在再生制動期間可從牽引馬達獲得的發(fā)電機功率也用 于給RESS再次充電。 在上述混合動力車輛中，增壓DC/DC變換器通常被采用， 以使得較低電壓的燃料電池堆與較高電壓的RESS相匹配。DC/DC變 換器通常采用多相電感器陣列，從而提供增加DC電壓的任務(wù)。電感器 陣列中的典型電感器包括磁芯，例如鐵芯，其中在芯段之間提供間隙。
絕緣的金屬繞組圍繞芯纏繞成線圈，且傳送經(jīng)過繞組的電流在芯和間 隙中產(chǎn)生磁通量。提供合適的切換裝置以切換施加到繞組的電壓，使 得磁通量變化增加變換器輸出端處的電壓電勢。 工業(yè)沖試圖減小車輛燃料電池系統(tǒng)中的DC/DC變換器的 尺寸、重量和成本，并增加其可靠性和效率。
發(fā)明內(nèi)容
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的燃料電池系統(tǒng)的示意 性框圖，所述燃料電池系統(tǒng)包括具有電感器陣列的DC/DC變換器； 圖3是電感器芯的截面圖，所述電感器芯包括限定多個 間隙的中間電感器段； 圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電感器陣列的截面圖， 所述電感器陣列包括共用公共芯段和磁通路徑的三個電感器；和 圖1是燃料電池系統(tǒng)IO的示意性框圖，燃料電池系統(tǒng)10 包括系統(tǒng)燃料電池堆12和可再次充電電能系統(tǒng)(RESS) 14，兩者均電 連接到高壓總線16a和16b。為了本文所述的目的，RESS14能夠是任 何合適的DC功率源，例如蓄電池或超級電容器(也稱為超電容器)等。 各個電氣部件也電連接到高壓總線16a和16b,例如推進車輛的電牽引 馬達22、以及其它車輛和系統(tǒng)負載24 (如陰極側(cè)空氣壓縮機)。
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提供簡化的DC/DC變換器26，以將燃料電池堆電壓增壓 至總線16a和16b的較高電壓。DC/DC變換器26包括電感器陣列28 和受控開關(guān)網(wǎng)絡(luò)30,其中開關(guān)網(wǎng)絡(luò)30將電感器陣列28中的電感器38 從高壓地線切換到高壓輸出端，以使得燃料電池堆的電壓以本領(lǐng)域技 術(shù)人員熟知的方式增壓。該變換方法通常稱為增壓變換。增壓變換器 能夠使用單個電感器構(gòu)成或者通過使用處于并聯(lián)增壓級的多個時間移 位的切換電感器構(gòu)成以使得切換脈動效果平滑。為此，DC/DC變換器 26提供三相增壓變換器設(shè)計。
0020] 圖2是用于上述類型的DC/DC變換器的電感器的芯40 的截面圖。芯40包括彼此隔開的第一 U形芯段42和第二 U形芯段44, 以在它們之間限定間隙46。下文討論的電感器線圈圍繞U形芯段42 和44的腿部纏繞，且當(dāng)電流流經(jīng)線圈時，在芯40和間隙46中產(chǎn)生磁 通量，以提供電壓變換的能量。這種電感器的常規(guī)芯段是磁性材料(例 如鐵)的壓制片，疊層在一起以提供期望的芯厚度。 為了克服邊緣通量的缺陷且仍提供高功率應(yīng)用的顯著間 隙空間，本領(lǐng)域中已知在電感器芯中提供多于一個的間隙。圖3是包 括U形端部段52和54和置于它們之間的四個中間體l殳56、 58、 60和 62的電感器芯50的截面圖。U形段52和54和中間段56、 58、 60和 62隔開以在芯50的中間限定三個窄的間隙64、 66和68,如圖所示。 因而，能夠增加總體間隙尺寸以提供磁性存儲能量的增加，而沒有由 于寬的間隙引起的有害邊緣通量。 本領(lǐng)域中已知用于電感器中的磁芯的各種無定形合金。 這些無定形合金包括由鐵、鎳、鈷等制成的合金。芯材需要以高度受 控的方式制造，以產(chǎn)生無定形結(jié)構(gòu)，即非晶態(tài)，從而提供期望磁性屬 性。在一種已知技術(shù)中，熔融合金通過噴嘴鑄造到旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輪上， 這使得合金的薄層立即固化并以薄的環(huán)形帶的形式從該輪剝離。固化 過程過快使得合金不能形成晶體。這些帶具有良好的磁性屬性，但是 由于它們薄且由于無定形結(jié)構(gòu)具有低的導(dǎo)電性，材料中的渦電流損失 非常小。因而，這些材料能夠用于高功率密度、高頻率應(yīng)用中，其中， 普通鐵芯疊層將由于損失而過熱。帶在心軸上纏繞，粘合劑跡線位于 帶之間以獲得牢固的O形芯。O形芯通常在中間切削，以獲得本文討 論的兩個U形端部段。 本發(fā)明提出了一種用于芯50的混合芯，其包括用于U形 段52和54的無定形合金和用于中間段56、 58、 60和62的常規(guī)壓制 金屬片芯。因而，中間段56、 58、 60和62是通過適合于部段56、 58、 60和62的尺寸的已知制造過程疊層在一起的壓制件，且與完成磁通路 徑的無定形合金段52和54結(jié)合。本領(lǐng)域中已知適合于電感器的芯材 和適合于一起形成疊層的片材的已知壓制過程的各種材料。例如，能 夠使用硅鐵材料，其中，鐵提供期望的磁性屬性且硅通常通過減少渦 電流損失來改進性能。 芯50的損失由材料的大部分(仍是無定形金屬)來確定， 而形成較小間隙的段具有相對高的比損失，但是體積非常小，因而它 們不會對總體損失有顯著的影響。無定形鐵和普通壓制片鐵的磁性屬 性(尤其是飽和通量密度)足夠接近，使得芯性能不受材料中的任一 種的影響。將無定形金屬的益處與普通壓制片芯的益處結(jié)合允許用較 低的成本、尺寸、重量和磁性損失構(gòu)造較小的功率變換電感器。 圖4是適合于用作本領(lǐng)域已知的類型的系統(tǒng)10中的電感 器陣列28的電感器陣列70的截面圖。電感器陣列70包括殼體結(jié)構(gòu)72， 殼體結(jié)構(gòu)72包括用于在合適位置安裝陣列70的安裝孔74。電感器陣 列70具有三個接近而隔開的電感器76,每個包括具有U形端部段78 和80的磁芯40， U形端部段78和80之間限定間隙82。每個電感器 76包括兩個繞組84和86,如圖所示，繞組84和86圍繞端部段78和 80的腿部纏繞且穿過端部段78和80之間的中心開口 88。線圈84和86將串聯(lián)或者并聯(lián)地電連接在一起。陣列70中有三個電感器76，以 提供電壓變換的平滑過渡。具體地，電感器76使用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)30以限 定的相位關(guān)系切換進入和離開回路，使得電壓變換對于線圈84和86 的切換而言是平滑過渡。 由于電感器106和108共用芯段且電感器108和110共 用芯段，對于相同尺寸的電感器陣列而言，用于陣列100的芯材的量 相對于用于陣列70的芯材的量減小。因而，電感器陣列100的尺寸和 重量能夠相對于電感器陣列70減小。例如，對于一個具體的增壓變換 器應(yīng)用，陣列100的長度可以是約215 mm,相對于陣列70的長度改 進30%。此外，通過如本文所述將芯段結(jié)合，電感器陣列100的電損 失能夠從電感器陣列70的電損失減小。 前述討論僅僅^>開和描述了本發(fā)明的示例性實施例。本 領(lǐng)域技術(shù)人員從這種討論和附圖以及權(quán)利要求書將容易認識到在此可 以進行各種變化、修改和變型，而不偏離在所附權(quán)利要求書中限定的 本發(fā)明的精神和范圍。
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權(quán)利要求
1.一種電感器，包括多個芯段，所述芯段包括彼此隔開的第一和第二端部芯段以及設(shè)置在所述第一和第二端部芯段之間的多個中間體芯段，所述多個中間體芯段在電感器的中心處提供多個間隙，所述第一和第二端部芯段由無定形合金制成，且所述多個中間體芯段是形成疊層結(jié)構(gòu)的壓制金屬片。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電感器，其中，所述無定形合金是鐵合金。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電感器，其中，所述壓制金屬中間芯段是 壓制硅鐵芯段。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電感器，其中，所述第一和第二端部芯段 是限定中心開口的U形端部芯段，線圏纏繞穿過所述中心開口 。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電感器，其中，電感器是電感器陣列的一 部分，電感器陣列包括多個電感器，其中，每個電感器包括無定形合 金端部段和限定多個間隙的壓制金屬中間體芯段。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電感器，其中，所述電感器陣列中的相鄰 電感器共用公共芯段和公共磁通路徑。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電感器，其中，所述電感器陣列包括三個 電感器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電感器，其中，所述電感器陣列是DC/DC 增壓變換器的一部分。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電感器，其中，所述DC/DC增壓變換器是 燃料電池系統(tǒng)的 一部分且電連接到燃料電池堆。
10. —種電感器陣列，包括多個電感器，所述電感器陣列的所述電 感器中的每個都包括多個芯段，所述多個芯段包括彼此隔開的相對的 端部芯段，其中，相鄰電感器共用公共端部芯段和公共磁通路徑，所 述多個芯段還包括在每個電感器的中心處限定多個間隙的多個中間體 芯段，其中，所述端部芯段由無定形合金制成，且所述中間體芯段和 公共芯段是作為疊層形成的壓制金屬片。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的電感器陣列，其中，所述共用芯段設(shè)置 成具有中間凹部的背對背的U形芯段。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的電感器陣列，其中，所述無定形合金是鐵合金。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的電感器陣列，其中，所述壓制金屬中間 芯段和公共芯段是壓制硅鐵芯段。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的電感器陣列，其中，所述多個電感器包 括三個電感器。
15. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的電感器陣列，其中，所述電感器陣列是 DC/DC增壓變換器的 一 部分。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的電感器陣列，其中，所述DC/DC增壓變 換器是燃料電池系統(tǒng)的 一部分且電連接到燃料電池堆。
17. —種用于DC/DC增壓變換器的電感器陣列，所述電感器陣列包 括三個電感器，其中，所述電感器中的每個包括多個芯段，所述多個 芯段包括彼此隔開的相對的端部芯段，其中，相鄰電感器共用公共芯 段和公共磁通路徑，所述共用芯段設(shè)置成具有中間凹部的背對背的U形 芯段，所述多個芯段還包括在每個電感器的中心處限定多個間隙的多 個中間體芯段，其中，所述端部芯段由無定形合金制成，且所述中間 體芯段和公共芯段是壓制金屬片。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電感器陣列，其中，所述無定形合金是 鐵合金。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電感器陣列，其中，所述壓制金屬中間 芯段和公共芯段是壓制硅鐵芯段。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電感器陣列，其中，所述DC/DC增壓變 換器是燃料電池系統(tǒng)的 一部分且電連接到燃料電池堆。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用混合電感器芯材的燃料電池應(yīng)用的DC-DC變換器。一種電感器，包括端部芯段和在所述端部芯段之間的多個中間體芯段，所述端部芯段和所述多個中間體芯段限定多個間隙。所述端部芯段由無定形合金制成以提供良好的磁性屬性，且中間芯段是形成疊層結(jié)構(gòu)的壓制磁片以便于制造。在一個非限制性實施例中，所述端部芯段是無定形鐵合金，所述中間芯段是壓制硅鐵。
文檔編號H02M3/04GK101685699SQ20091017072
公開日2010年3月31日 申請日期2009年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月9日
發(fā)明者J·T·霍爾, S·賴澤 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司