排出燃料电池残留电能的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种排出（discharging)燃料电池残留电能的装置和方法，并且更具 体地，设及一种在燃料电池运行后或检测到碰撞时为了安全而快速排出并除去燃料电池残 留电能的装置和方法。
【背景技术】
[0002] 在安装在燃料电池车辆中的燃料电池堆中，即使在起动之前和起动之后，残留反 应气体存在于燃料电池堆隔离板的通道内，使得在很长时间内存留有电压。
[0003] 燃料电池运行后，残留电压立即形成燃料电池的电池单元（cell)的过电压，使得 正极催化剂层中出现碳腐蚀，从而降低燃料电池的寿命，甚至在燃料电池的运行停止后，残 留电压也在燃料电池堆中留有高电压，因此存在当使用者直接与充电元件接触时可能发生 电击的顾虑。
[0004] 因此，为了解决运个问题，用于在起动之前和之后消耗燃料电池堆残留电能的放 电装置被应用到燃料电池车辆中。 阳〇化]图1 (现有技术）示出燃料电池堆的基本放电过程。
[0006] 参考图1，燃料电池堆的一般放电过程为W下过程，在正常运行过程中起动或停止 车辆时，即，当点火开关接通或断开时，或碰撞检测传感器检测到碰撞后，通过运行放电装 置的继电器由放电电阻器消耗留在燃料电池堆中的电能。
[0007] 图2(现有技术）为示出现有技术的燃料电池堆的放电装置的电路图。
[0008] 参考图2,现有技术的放电装置具有使用电阻元件的方法，并且包括当车辆起动或 停止时（即，点火开关接通或断开）或当碰撞发生时碰撞检测传感器检测到碰撞时接通的 放电继电器10, W及用于从燃料电池的电池单元排出残留电能（电流）的电阻元件12,电 阻元件12设置在燃料电池系统的热管理系统（Thermal Management System, TM巧的冷却 剂管线14中用于冷却。
[0009] 因此，在高电压负载16和燃料电池20之间的燃料电池继电器18断开、并且高电 压电池22和高电压负载16之间的高电压电池继电器24断开的状态下，通过电阻元件12 经由接通状态的放电继电器10排出燃料电池的残留电能。
[0010] 然而，由放电电流产生的焦耳热使电阻元件的溫度急剧升高，使得独立冷却设备， 如冷却剂管线，成为必需，因此放电装置的配置复杂并且其体积增大。
[0011] 此外，电阻元件存在放电时间要消耗若干秒或更久的缺点，W致在事故（例如，碰 撞）刚刚发生之后，残留电压在燃料电池堆中存在一段预定的时间。
[0012] 因此，在残留电压从燃料电池堆排出到对人安全之前，高电压充电元件不可避免 地保持激活状态，使得当高电压充电元件与人接触时，存在电击可能性的顾虑。
[0013] 此外，当燃料电池被碰撞得损坏严重时，燃料电池堆的残留电能通过电短路产生 电弧，W致可能会导致二次损坏，如电气火灾。
【发明内容】
[0014] 因此，本发明的目的是提供一种排出燃料电池堆的残留电能的装置和方法，其通 过使用用于保护负载设备等免受过度的过电压的非线性保护元件，快速除去燃料电池堆的 残留电能。
[0015] 根据本发明的一个方面，提供一种用于排出燃料电池的残留电能的装置，其包括： 放电继电器，其在车辆起动或停止（点火开关接通或断开）、或碰撞检测传感器检测到碰 撞、或车辆运行过程中处于包括碰撞、浸水和高电压组件绝缘老化或介电击穿的预定情况 并且车辆的绝缘电阻降低至参考水平或更低时，与燃料电池连接并且接通；W及与放电继 电器连接W从燃料电池排出残留电能的非线性保护元件。
[0016] 非线性保护元件可为选自气体放电管（Gas Discharging Tube, GDT)、金属氧 化物压敏电阻（Metal Oxide Varistor, MOV)和瞬态电压抑制器（Transient Voltage Suppressor, TV巧二极管中的一种或者其中两种或更多种的组合。
[0017] 所述装置还可包括高电压触发器，其被配置成用于产生脉冲形式的高电压触发电 力并且将所产生的高电压触发电力施加至非线性保护元件。
[0018] 根据本发明的另一方面，提供一种排出燃料电池的残留电能的方法，其包括：确定 是否满足燃料电池的残留电能排出条件；当满足燃料电池的残留电能排出条件时，接通燃 料电池和放电继电器，并且配置燃料电池和非线性保护元件于闭合电路中；W及通过非线 性保护元件经放电继电器排出燃料电池的残留电能。
[0019] 所述方法还可包括产生脉冲形式的高电压触发电力并且将所产生的高电压触发 电力施加至非线性保护元件。
[0020] 非线性保护元件的放电起始电压可被设定为低于燃料电池堆最大负载时的电压。
[0021] 通过上述技术方案，本发明提供W下效果。
[0022] 第一，在燃料电池车辆运行停止后或当检测到事故（例如，碰撞）时，能够更快速 地除去燃料电池堆的残留电能，从而显著降低二次损害的危险，如由于介电击穿而造成的 驾驶员或救援人员的电击事故或电气火灾。
[002引第二通过使用小体积非线性保护元件如GDT，能够消耗大放电电流，从而实现快 速放电效果并使放电装置小型化。
[0024] 第=，现有的放电装置因电阻元件产热而需要独立的冷却装置（热管理系统的冷 却剂管线等），但由于非线性保护元件的使用，本发明的放电装置不需要独立的冷却装置， 从而简化放电装置的配置。
[0025] 第四，因放电装置的小型化和简化，能够有效建立燃料电池系统的封装和布局。
【附图说明】
[0026] 现在将参照附图中示出的具体的示例性实施例详细地描述本发明的上述和其他 特征，附图仅W举例说明的方式给出，因此不是对本发明的限制，其中：
[0027] 图1 (现有技术）为示出燃料电池堆的基本放电过程的图；
[0028] 图2(现有技术）为示出现有技术的燃料电池堆的放电装置的电路图；
[0029] 图3为示出根据本发明的燃料电池堆的快速放电过程的图；
[0030] 图4为示出根据本发明的燃料电池堆残留能量放电装置的电路图；
[0031] 图5为示出本发明的放电装置中使用的一种类型的非线性元件的图；
[0032] 图6为示出本发明的放电装置中使用的气体放电管的结构的图；
[0033] 图7为示出本发明的放电装置中使用的气体放电管的放电特性的图示；
[0034] 图8为示出燃料电池的放电等效电路的电路图；化及
[0035] 图9为示出燃料电池的放电等效电路的瞬态特性的图示。
[0036] 应该理解，附图不一定按比例绘制，其呈现说明本发明基本原理的各种优选特征 的某种程度上简化的表达。在此公开的本发明的具体设计特征，例如包括具体的尺寸、方 向、位置和形状，将部分地由具体的预期应用和使用环境确定。
[0037] 附图中，贯穿附图的几个图片中的附图标记指代本发明的相同或等效部件。
【具体实施方式】
[0038] W下将详细描述本发明，W使本发明所属领域的技术人员可容易地实施本发明。
[0039] 应该理解，在此使用的术语"车辆"或"车辆的"或其他相似的术语总体上包括机 动交通工具在内，如乘用车，包括运动型多用途车（SUV)、公共车辆、卡车、各类商用车，包括 各种各样船只和轮船的水运工具，飞机等，还包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动 力车辆、氨动力车辆和其他替代燃料车辆（如非石油资源衍生的燃料）。在此提及的混合动 力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如既有汽油动力又有电动力的车辆。
[0040] 在此使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，并不希望限制本发明。除非上下 文另外清楚地表明，在此使用的单数形式"一种/个（a/an) "、W及"该"也包括复数形式。 还应该理解，当在本说明书中使用时，术语"包括"和/或"包含"指所述特征、整数、步骤、 操作、要素、组件和/或其群组的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、运行、 要素、组件和/或其群组的存在或添加。在此使用的术语"和/或"包括一个或更多个相关 所列术语的任何和所有组合。贯穿本说明书，除非相反明确描述，单词"包括"和变体如"包 含"或"含有"应理解为表示包括所述要素但并不排除任何其他要素。另外，说明书中描述 的术语"元件"、器"、器件"和"模块"意指用于处理至少一种功能和操作的单元，并且 可由硬件组件或软件组件及其它们的组合实现。
[0041] 此外，本发明的控制逻辑可实施为计算机可读介质上的非临时性计算机可读媒 介，其中计算机可读介质包含由处理器、控制器等执行的可执行程序指令。计算机可读介质 的实例包括但不限于ROM、RAM、光盘（CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据 存储设备。计算机可读记录介质还可分布于连接网络的计算机系统，从而计算机可读介质 W分布式方式存储和执行，例如，通过远程服务器或控制器局域网（CAN)。
[0042] W下将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。
[0043] 首先，为了帮助理解本发明，下文将描述用于排出燃料电池堆的残留电能的基本 电路W及其操作。 W44] 图8为示出燃料电池的放电等效电路的电路图。 W45] 如图8所示，燃料电池的放电可等效于RC串联电路，并且可处于充电的电容器C 通过电阻R放电的状态，运样，当继电器在t = 0开关时，可通过等式1结合等式2表示电 容器电压。
[0046][等式 1]
引[等式引
[0049] Vc=VFc*et/Rc
[0050] 在等式I和等式2中，Vk表示燃料电池的工作电压，V t(t)表示等效电容器的瞬态 电压，R表示放电装置的电阻，t = 0表示放电装置继电器的运行时间点，而T表示时间常 数。
[0051] 在运种情况下，如图9所示，燃料电池的残留电压心呈指数规律降低，并且降低速 率取决于时间常数（T = RC)，因此当放电元件的电阻R较小时，燃料电池具有较短的放电 时间。
[0052] 因此，本发明关注于运样一点，即可通过使用非线性保护元件快速排出燃料电池 堆内的残留电压，所述非线性保护元件具有放电元件的电阻小的特性。
[0053] 具体地，