用于加热燃料电池堆的设备和方法

用于加热燃料电池堆的设备和方法
【专利摘要】本发明提供一种用于在冷起动模式下加热燃料电池堆的设备和方法。所述设备包括燃料电池堆、升压转换器和控制器。所述燃料电池堆驱动车辆。所述升压转换器包括热结合到燃料电池堆的电力开关。所述控制器被配置为在车辆起动期间接收指示温度的信号并将温度和预定的温度值进行比较。所述控制器还被配置为如果温度低于所述预定的温度值，则激活电力开关，使得电力开关产生用于施加到燃料电池堆上的热并产生用于驱动电力电路的电压，以使车辆能够在燃料电池堆接收热时起动。
【专利说明】用于加热燃料电池堆的设备和方法
[0001]本申请要求于2013年3月15日提交的序列号为61/794，728的美国临时申请和2013年8月5日提交的序列号为13/959，242的美国专利申请的权益，这两个美国申请的公开内容通过引用被全部包含于此。

【技术领域】
[0002]在此公开的实施例总体上涉及一种用于加热燃料电池堆的设备和方法。

【背景技术】
[0003]吉尔克里斯特(Gilchrist)的第2007/0292724号美国公布(“以下称为‘724公布”)中公开了一种燃料电池堆实施方式。‘724公布公开了一种在冷起动状态期间操作的电源系统。电源系统包括燃料电池堆和电力转换系统，可电力地操作燃料电池堆以产生直流(DC)电力，电力转换系统电连接到燃料电池堆，并且可操作电力转换系统以从燃料电池堆接收DC电力。电源系统还包括至少一个电池和控制器，至少一个电池电连接到电力转换系统，并且可操作所述至少一个电池以和电力转换系统交换电池DC电力，控制器至少可操作以控制电源系统的操作，以便在冷起动状态期间将至少一定量的脉动电流供应给电池。


【发明内容】

[0004]提供一种用于在冷起动模式下加热燃料电池堆的设备。所述设备包括燃料电池堆、升压转换器和控制器。所述燃料电池堆驱动车辆。所述升压转换器包括热结合到燃料电池堆的电力开关。所述控制器被配置为在车辆起动期间接收指示温度的信号并将温度和预定的温度值进行比较。所述控制器还被配置为如果温度低于所述预定的温度值，则激活电力开关，使得电力开关产生用于施加到燃料电池堆的热并产生用于驱动电力电路的电压，以使车辆能够在燃料电池堆接收热时起动。
[0005]所述升压转换器还可包括可操作地结合到燃料电池堆的接触器。
[0006]所述控制器还可被配置为在温度低于所述预定的温度值的情况下断开所述接触器。
[0007]所述控制器还可被配置为在温度高于所述预定的温度值的情况下闭合所述接触器。
[0008]所述接触器可被配置为将电力从燃料电池堆传送到车辆中的负载，以驱动车辆。
[0009]所述电力电路可包括:DC/DC转换器，用于接收电压，以驱动阴极压缩机和牵引电动机，使得车辆能够在燃料电池堆接收热时起动。
[0010]所述电压可以在125V至150V之间。
[0011]提供一种用于在冷起动模式下加热燃料电池堆的设备。所述设备包括可操作地结合到升压转换器的控制器，所述升压转换器包括电力开关。所述电力开关热结合到燃料电池堆。所述控制器被配置为在车辆起动期间接收指示温度的信号并将所述温度和预定的温度值进行比较。所述控制器还被配置为如果温度低于所述预定的温度值，则激活电力开关，使得电力开关产生用于施加到燃料电池堆的热并产生用于驱动电力电路的电压，以使车辆能够在燃料电池堆接收热时起动。
[0012]所述升压转换器还可包括可操作地结合到燃料电池堆的接触器。
[0013]所述控制器还可被配置为在温度低于所述预定的温度值的情况下断开所述接触器。
[0014]所述控制器还可被配置为在温度高于所述预定的温度值的情况下闭合所述接触器。
[0015]所述接触器可被配置为将电力从燃料电池堆传送到车辆中的负载，以驱动车辆。
[0016]所述电力电路可包括:DC/DC转换器，用于接收电压，以驱动阴极压缩机和牵引电动机，使得车辆能够在燃料电池堆接收热时起动。
[0017]所述电压可以在125V至150V之间。
[0018]提供一种包括控制器的设备。所述控制器可操作地结合到升压转换器，所述升压转换器包括电力开关。所述控制器被配置为在车辆起动期间接收指示温度的信号，并且如果所述温度低于所述预定的温度值，则激活电力开关，以将热施加到燃料电池堆并产生用于驱动电力电路的电压，以使车辆能够在燃料电池堆接收热时起动。
[0019]所述升压转换器还可包括可操作地结合到燃料电池堆的接触器。
[0020]所述控制器还可被配置为在温度高于所述预定的温度值的情况下闭合所述接触器。
[0021]所述接触器可被配置为将电力从燃料电池堆传送到车辆中的负载，以驱动车辆。
[0022]所述电力电路可包括:DC/DC转换器，用于接收电压，以驱动阴极压缩机和牵引电动机，使得车辆能够在燃料电池堆接收热时起动。
[0023]所述电压可以在125V至150V之间。

【专利附图】

【附图说明】
[0024]结合权利要求的特征指出了本公开的实施例。然而，通过下面结合附图对各种实施例进行详细的描述，这些实施例的其它特点将变得更加清楚并且将被更好地理解，附图中:
[0025]图1描绘了根据一个实施例的用于加热燃料电池堆的第一设备；
[0026]图2描绘了根据一个实施例的用于以高电压实施方式加热燃料电池堆的第二设备;
[0027]图3描绘了根据一个实施例的用于以低电压实施方式加热燃料电池堆的第三设备;
[0028]图4是描绘了根据一个实施例的与燃料电池堆有关的各种电学特性的图示。

【具体实施方式】
[0029]根据需要，在此公开本公开的详细实施例；然而，应当理解，公开的实施例仅是本发明的示例，本发明可以按照各种以及替代形式实现。附图不一定是按比例绘制的；一些特征可能会被夸大或者缩小，以显示特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能性细节不应当被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员变化地应用本发明的代表性基础。
[0030]本公开的实施例总体上提供多个电路或其它电子装置。电路或其它电子装置以及由每个电路和电子装置提供的功能的所有引用并非意在限于仅仅包含在此示出和描述的电路和电子装置。尽管可给各种电路或其它电子装置分配特定的标签，但是这些标签并非意在限制电路和其它电子装置的操作的范围。基于期望的特定类型的电子实施方式，这些电路和其它电子装置可彼此组合和/或以任何方式分开。应该认识到，在此公开的任何电路或其它电子装置可包括任何数量的微处理器、集成电路、存储装置(例如，FLASH、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)或其它合适的变体)以及彼此协作以执行在此公开的操作的软件。
[0031 ] 响应于电化学地转换氧气和氢气，燃料电池堆产生电力。通常，燃料电池堆包括彼此结合的多个燃料电池，其中，每个燃料电池产生由燃料电池堆提供的电流的总量的一部分。通常，燃料电池堆的冷起动可能需要向外转储(dump)电力(诸如将电力转储到水乙二醇(WEG)加热器中或者在费电模式(power waste mode)下使用牵引电动机(或电动动力系统))。WEG加热器被用于在冷起动模式下加热燃料电池堆。在一些实施方式中，可使用至少两个WEG加热器来启用燃料电池堆的冷起动。由于在某些情况下很少使用这些，所以这一状况增加车辆的重量。当温度低于5°C时，通常需要与燃料电池堆有关的冷起动操作。
[0032]在冷起动模式下燃料电池堆的全部加热可能花费大量的时间。这一状况可能使驾驶员在车辆中的燃料电池堆冷起动之后不能简单地起动(driveaway)车辆。已经尝试了一些方法来短接燃料电池堆，以便加热燃料电池堆，并将燃料电池堆重新连接到车辆总线，以便在燃料电池堆被加热到期望的温度之后进行正常的燃料电池堆操作。这一解决方案可以廉价的实现。然而，由于燃料电池堆被短接，所以车辆不可能在冷起动模式下起动。为了消除所述短接状态，燃料电池堆必须达到期望的温度。一旦燃料电池堆达到期望的温度，那么车辆可执行车辆起动。
[0033]在此公开的实施例可提供一种燃料电池升压转换器(boost converter),以帮助燃料电池堆在冷起动模式下加热。升压转换器允许燃料电池堆将其输出电压改变为期望的电平，同时在车辆侧保持最佳电压。通过利用燃料电池堆电流增加时导致燃料电池堆的内电阻增加而在燃料电池堆上产生热(增加废热产生率)。为了正常的燃料电池堆操作，形成升压转换器的一部分的接触器闭合，从而绕过升压转换器内的用于在冷起动模式下加热燃料电池堆的附加的电子器件。为了在冷起动模式下加热燃料电池堆，接触器被控制为断开，升压转换器上的附加的电子器件(例如，绝缘栅双极型晶体管(IGBT))被切换为抽取电流，从而使燃料电池堆产生热。当升压转换器抽取电流来加热燃料电池堆时，这一状况向驾驶员提供起动车辆的能力。以下，将会更详细地描述这些方面和其它方面。
[0034]图1描绘了根据一个实施例的用于加热燃料电池堆12的第一设备10。第一设备10可包括升压转换器14，升压转换器14可操作地连接到多个负载16。第一设备10可被实施在车辆13中。升压转换器14包括接触器18、电感器20、二极管22和开关器件24(诸如IGBT或其它适合的器件)。在正常的燃料电池起动状况(例如，车辆13在车辆13的外部温度大于5°C时起动)期间，接触器18闭合，使得燃料电池堆12向负载16提供电力。当接触器18闭合时，从燃料电池堆12产生的电流流经接触器18，并绕过电感器20、二极管22和开关装置24。
[0035]在冷起动模式(例如，车辆13在外部温度小于5°C时起动)下，接触器18断开，并且燃料电池堆12驱动电感器20、二极管22和开关器件24。在这种情况下，IGBT24响应于来自燃料电池堆12的电力产生热。运送冷却剂的管道(未示出)被放置在IGBT24附近，使得冷却剂从那里被加热。所述管道关于燃料电池堆12延伸，被加热的冷却剂用于加热燃料电池堆12。另外，IGBT24驱动负载16。应该认识到，负载16包括使车辆能够驾驶和/或操作的任意数量的车辆相关设备。在冷起动模式下，IGBT24可提供足够的电力以驱动至少部分负载16，使得在燃料电池堆12的冷起动期间车辆起动状况成为可能。以下将对此进行更详细地讨论。
[0036]图2描绘了根据一个实施例的用于以高电压实施方式加热燃料电池堆12的第二设备30。第二设备30总体上包括燃料电池堆12、升压转换器14、控制器32和温度传感器
33。通常，温度传感器33可基于燃料电池堆12的特定模式来控制接触器18断开或闭合。例如，在燃料电池堆12处于正常的燃料电池起动状态的情况下，控制器32可控制接触器18闭合，从而允许电力绕过升压转换器14内的IGBT24和附加的电路。在这种情况下，各种负载16 (诸如但不限于牵引电动机34、空气压缩机(或阴极压缩机)36、可变电压负载38 (例如，电动压缩机电动机或其它可在从170V变化到450V的电压下操作的适合的装置)、DC/DC转换器40、固定电压负载42 (例如，开环控制感应电动机))和电池44可由燃料电池堆12供电。控制器32被配置为在车辆起动期间从温度传感器33接收用于指示车辆13的外部温度的信号。如果测量的温度超出预定的温度水平，则控制器32确定车辆13处于正常的燃料电池起动状态。在这种情况下，控制器32闭合接触器18，以允许燃料电池堆12向负载16供电。
[0037]一般来说，第二设备30可总体上被定义为高电压燃料电池堆实施方式。在这种情况下，燃料电池堆12提供足够的电流以驱动牵引电动机34和空气压缩机36。例如，燃料电池堆12可将用于提供170V至450V之间电压的电流提供到车辆总线35，以驱动牵引电动机
34、空气压缩机36和可变电压负载38。
[0038]牵引电动机34被构造为使车辆13能够被驱动。空气压缩机36对传送至燃料电池堆12的气流进行增压，以允许燃料电池堆12产生电流。在一个示例中，空气压缩机36可能需要至少170V来运转燃料电池堆的操作。然而，空气压缩机36可能仍然提供足够的增压空气，以允许燃料电池堆12在低于170V的电压下执行车辆起动(例如，在冷起动模式下的局部操作)。以下，将对此进行更详细地讨论。如上指出，燃料电池堆12接收空气和氢气，并将所述空气和氢气电化学地转换成电流或电力。
[0039]在正常燃料电池起动状态(正常燃料电池操作)下，燃料电池堆12可产生存储在电池44上的电力。另外，电池44还可以向车辆13中的各种负载16供电。DC/DC转换器40被布置为升压/降压转换器(boost/buck converter)。例如,DC/DC转换器40可用作降压转换器，并使得从燃料电池堆12提供的电压逐步降低为适合于存储在电池44上的电压，并且供固定电压负载42使用。当DC/DC转换器40被布置为升压转换器时，可使得从电池44提供的电压逐步上升，以驱动牵引电动机34、空气压缩机36和可变电压负载38。
[0040]在车辆起动期间，在控制器32基于从温度传感器33接收的信息确定温度低于预定的温度值(例如，5°C )的情况下，控制器32确定燃料电池堆12正在经历冷起动(例如，车辆处于冷起动模式)。[0041 ] 如果温度降到5°C以下，并且车辆13被起动以进行运转(例如，燃料电池堆12经历冷起动)，则控制器32控制接触器18断开，从而允许燃料电池堆12向电感器20、二极管22和开关装置24供应电力。响应于产生被提供给燃料电池堆12的电流，IGBT24提供热以对燃料电池堆12进行加热。在这种情况下，IGBT24提供足够的电力(或充足的电压电平)以激活DC/DC转换器40。例如，DC/DC转换器40可能具有125V-150V之间的范围内的最小操作电压。升压转换器14结合DC/DC转换器40来提供足够的电压(例如，至少125V)和电力，以运行负载16 (包括牵引电动机34和空气压缩机36)，从而在冷起动模式下执行车辆起动。DC/DC转换器40还可升高来自电池44的电压，以驱动牵引电动机34和空气压缩机36，从而允许驾驶员能够执行车辆起动。
[0042]应该认识到，温度对于驾驶员起动车辆的能力起作用。例如，温度越低，车辆13执行起动花费的时间越长。例如，在温度为_15°C的情况下，可能需要花费大约二十秒至三十秒来执行车辆起动操作。在另一示例中，在温度为_40°C的情况下，可能需要花费大约1.5分钟来执行车辆起动。在冷起动模式下，升压转换器14通常提供足够的热以加热燃料电池堆12并提供足够的电压以驱动车辆总线35上的装置，以便使驾驶员能够起动车辆。一旦燃料电池堆12的温度到达预定的水平，则控制器32控制接触器18闭合，从而去激活IGBT24。在那时，由燃料电池堆12提供增加的电压电平，以驱动车辆总线35上的各种负载16。
[0043]图3描绘了根据一个实施例的用于以低电压实施方式加热燃料电池堆12的第三设备50。一般来说,第三设备50总体上可被定义为低电压燃料电池堆实施方式。第三设备50包括第一 DC/DC转换器52和第二 DC/DC转换器54，第二 DC/DC转换器54替代关于图2中所述的DC/DC转换器40。另外，例如，第三设备50包括附加的车辆总线负载38'(例如，需要来自车辆总线35的较高的电压量的负载，诸如牵引电动机34)和来自电池44的电池总线负载42'(例如，当与来自车辆总线35的电压相比较时需要较低的电压量的负载(诸如空调压缩机电动机))。
[0044]燃料电池堆12总体上被构造为提供比关于图2中描述的燃料电池堆12的电压更低的电压量(例如，250V)。这样，尽管接触器18在正常燃料电池操作模式下闭合，但是第一DC/DC转换器52作为升压转换器，并将250V的电压升高到车辆总线35上的350V至400V。车辆总线35上的这样的升高的电压在正常操作模式下驱动牵引电动机34和空气压缩机36。另外，附加的车辆总线负载38'还利用350V至400V之间的电压。第二 DC/DC转换器54还可作为降压转换器，并将车辆总线35上的电压逐步降低为适合于存储在电池44上并驱动电池总线负载42'的电压。
[0045]在冷起动模式下，控制器32控制接触器18断开，以允许燃料电池堆12向电感器20、二极管22和IGBT24供电。IGBT24向燃料电池堆12提供热，以对燃料电池堆12进行加热。在这种情况下，IGBT24提供足够的电力(或充足的电压电平)，以激活第一 DC/DC转换器52。第一 DC/DC转换器52可具有125V-150V之间的范围内的最低操作电压。在这种情况下，IGBT24提供足够向第一 DC/DC转换器52提供最低量的电压的电流，使得第一 DC/DC转换器52能够进行操作。然后，第一 DC/DC转换器52可升高来自燃料电池堆12的电压，以驱动牵引电动机34和空气压缩机36，从而允许驾驶员能够执行车辆起动。第二 DC/DC转换器54然后可基于车辆总线35上的电压进行操作。换句话说，当第一 DC/DC转换器52接收至少125V的电压或者一些其它最低电压时，第二 DC/DC转换器54由车辆总线35上保持不变的电压驱动，从第一 DC/DC转换器52的输出提供车辆总线35上的电压。
[0046]图4是描绘了根据一个实施例的与燃料电池堆12有关的各种电学特性(例如，沿y轴)作为来自燃料电池堆12的输出电流(Stack-1-terminal-gross)(例如,沿x轴)的函数的图示70。图示70示出了总体上与燃料电池堆12的端子处的电压(Stack-U-terminal)对应的第一波形72。图示70还示出了总体上与传送给车辆13的功率(Stack-Pw-terminal)对应的第二波形74，所述功率是通过将燃料电池堆12的电压与燃料电池堆12的输出电流相乘而计算的。图示70还示出了总体上与向燃料电池堆12内部提供的热量(Stack-Pw-heat)对应的第三波形76。
[0047]总体上如点82处所示，第一波形72示出了燃料电池堆12处于开路电压(OCV)(例如，250V)，IGBT24处于0%占空比。第二波形74示出了当第一波形72的电压减小时，随着输出电流增加，传送给车辆13的功率增加。在这种情况下，IGBT24增加其占空比，导致输出电流增加，并且导致燃料电池堆12处的电压降低。当IGBT24处于100%占空比时，输出电流处于最大值(例如，大约770A)，但是燃料电池堆12的电压已经下降到0V。
[0048]总体上如点84处所示，这一状态指示将随着燃料电池堆12变热而增加的燃料电池堆12的最大可用功率(例如，可从燃料电池堆12传送到负载16的最大功率)。在第二波形74中，传送给车辆的功率在大约675A (对应于IGBT24的特定的X占空比)处达到车辆峰值，然后传送的功率减小。总体上如点86处所示，当IGBT24处于100%占空比时，传送的功率下降为零。图示70上穿过X轴上的675A的垂直线90和当IGBT24处于特定的X占空比并且传送给车辆13的功率处于其峰值时相对应。对于如第二波形74所展现的传送到车辆13的相同功率，与通过将IGBT24的占空比从0%调制到X (例如，在垂直线90的左侧操作燃料电池堆12)相比，通过将IGBT24的占空比从X调制到100% (例如，在垂直线90的右侧操作燃料电池堆12)，燃料电池堆将产生更多的热，如第三波形76所展现。
[0049]虽然上面已经描述了示例性实施例，但是并非是指这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。更确切地说，说明书中所使用的词语是描述性的词语而不是限制性的词语，而且应该理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变。另夕卜，各种实施的实施例的特征可结合，以形成本发明的更进一步的实施例。
【权利要求】
1.一种用于在冷起动模式下加热燃料电池堆的设备，所述设备包括: 燃料电池堆，用于驱动车辆； 升压转换器，包括热结合到燃料电池堆的电力开关； 控制器，被配置为: 在车辆起动期间接收指示温度的信号； 将温度和预定的温度值进行比较； 如果温度低于所述预定的温度值，则激活电力开关，使得电力开关产生用于施加到燃料电池堆的热并产生用于驱动电力电路的电压，以使车辆能够在燃料电池堆接收热时起动。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述升压转换器还包括可操作地结合到燃料电池堆的接触器。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述控制器还被配置为在温度低于所述预定的温度值的情况下断开所述接触器。
4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述控制器还被配置为在温度高于所述预定的温度值的情况下闭合所述接触器。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述接触器被配置为将电力从燃料电池堆传送到车辆中的负载，以驱动车辆。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电力电路包括:DC/DC转换器，用于接收电压，以驱动阴极压缩机和牵引电动机，以使车辆能够在燃料电池堆接收热时起动。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述电压在125V至150V之间。
【文档编号】H01M8/04GK104051764SQ201410099489
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月17日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】哈斯迪·R·哈希姆, 克雷格·温菲尔德·彼得森, 雷蒙德·安东尼·斯皮特里 申请人:福特全球技术公司