本发明提供运样一种用于排出燃料电池堆的残留能量的装置和方法，其 通过用对应于代表性的用于保护负载设备等避免瞬态过电压在电源或通信电路的线路中 流动的非线性保护元件的气体放电管（GDT)、金属氧化物压敏电阻（MOV)或瞬态电压抑制 (TV巧二极管或者其组合来配置燃料电池放电装置，能够快速排出燃料电池堆内的残留电 压。 阳054] 非线性保护元件优选为放电器（arrester)元件，并且当施加等于或大于工作起 始电压的过电压时，电阻暂时且快速地减小并且因此非线性保护元件变为电短路状态，W 便能够快速排出电能，并且当放电完成时，非线性保护元件恢复至初始状态W保持原始绝 缘特性。 阳化5] 此外，非线性保护元件可具有数kA至数十kA的放电电流容量，运是非常大的，尽 管其体积小，并且具有数ns至数ms的放电工作速率，运是非常快的响应特性。
[0056] 因此，本发明快速排出燃料电池堆的残留电能，并且具有比现有技术大的能量吸 收量，因而没有必要单独地冷却液体，并且本发明通过使用具有上述特性的非线性保护元 件实施放电装置，W便通过小体积的非线性保护元件显著减小放电装置的体积。
[0057] 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，而图4为示出根据本 发明的燃料电池堆的残留能量放电装置的电路图。
[0058] 如图4所示，本发明的放电装置包括：在起动或停止车辆（点火开关接通/断开） 或在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及与放电继电器 10连接W从燃料电池排出残留电能（电流）的非线性保护元件。
[0059] 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，燃料电池的残留电 能通过非线性保护元件30经由处于接通状态的放电继电器10排出。
[0060] 在运种情况下，参考示出非线性保护元件的图5,非线性保护元件30可使用选自 GDT、M0V和TVS二极管中的一种，或者其中两种或更多种的组合。具体地，非线性保护元件 可选自由GDT、M0V和TVS二极管组成的群组。可选择地，可使用多个非线性保护元件，优选 包括GDT、MOV和TVS二极管中的至少一种。GDT可用作非线性保护元件30,因为与其它半 导体保护元件相比，GDT的放电量优异，并且与固态保护装置相比，GDT的绝缘性能可恢复， 因此GDT可使用多次而无变形或损坏。
[0061] 此外，本发明的放电装置还包括：高电压触发器（hi曲-voltage trigger) 32,其用 于由直流电源产生脉冲形式的高电压触发电力（trigger power)并将所产生的电力应用至 位于GDT内中屯、处的电极，W获得更快速的气体放电特性。
[0062] 因此，如图6所示，GDT具有运样的结构，其中电极单元设置在陶瓷外壳两侧，并且 陶瓷外壳内侧填充有密封气体，并且高电压触发器32安装在陶瓷外壳的一侧。
[0063] 运里，为了帮助理解本发明，下文将描述GDT的特性。
[0064] 当等于或小于工作起始电压的电压被施加至GDT时，绝缘电阻是无穷大的，使得 GDT保持在无漏电流的状态下，并且该区域称为非工作区。 W65] 此外，当对应于工作起始电压的电压施加至GDT的电极的两端时，获得足W使正 电极之间非中性气体分子被离子化的能量，使得电子被排出，并且通过电子雪崩（electron avalanche)形成电极之间的导电通路，电极之间发生介电击穿，并且放电管的内阻急剧下 降，W致非常大的电流在放电管中流动。
[0066] 在运种情况下，电极之间的端电压保持在数十至数百V，并在运种情况下电压称为 辉光电压，并且运种情况下的工作区域称为辉光区（参见图7)。
[0067] 当辉光区进一步发展时，辉光区变为电弧区，其中端电压为数V至数十V，并且放 电电流为数kA至数十kA，运是一个执行保护操作的区域，并且当所有放电电流放电时，端 电压升高至接近辉光电压并且放电管的操作停止，并且离子化的气体分子重新组合W恢复 初始绝缘性能。 W側 GDT的放电量比其它半导体保护元件的更优异，并且与固态保护装置相比，GDT的 绝缘性能可恢复，使得GDT能够使用多次而无变形或损坏，另外，GDT具有数pF，在非线性保 护元件中，运是最小电容，所W GDT的响应特性非常快，并且GDT具有密封结构，所W GDT在 工作特性上具有依使用环境（溫度和湿度）的最小变化。 W例因此，最优选使用GDT作为非线性保护元件30。
[0070] 运里，下文将描述基于上述配置的本发明的排出燃料电池残留能量的方法。
[0071] 如上所述，在根据本发明的放电装置中，高电压触发器由S电极GDT制成，并且为 了改善放电特性，可另外组合并使用非线性元件如MOV和TVS二极管。
[0072] 首先，确定是否满足燃料电池的残留能量排出条件，并且当满足燃料电池的残留 能量排出条件时，执行控制操作，其中燃料电池和放电继电器接通，并且燃料电池和非线性 保护元件被配置在闭合电路中。
[0073] 在运种情况下，对于排出燃料电池的残留电能的每种状况的操作条件将描述如 下：
[0074] 1)根据车辆起动后燃料电池控制单元随即所做的确定，用于防止燃料电池的电池 单元形成过电压的快速放电是必要的情况； 阳0巧]2)车辆的起动停止的情况；
[0076] 3)当车辆碰撞时生成安全气囊打开信号的情况；或
[0077] 4)在车辆行进过程中处于预定状况（碰撞、浸水、高电压组件绝缘老化或介电击 穿）的车辆的绝缘电阻降低至参考水平或更低的情况。
[0078] 当燃料电池车辆的控制器检测到满足排出燃料电池的残留电能的各种状况的操 作条件时，高电压负载16和燃料电池20之间的燃料电池继电器18 W及高电压电池22和 高电压负载16之间的高电压电池继电器24断开，并且放电继电器10同时接通，使得非线 性保护元件30和燃料电池20配置为闭合电路。
[0079] 因此，燃料电池的残留电能通过放电继电器10由非线性保护元件30排出。
[0080] 在运种情况下，为了获得更快的气体放电特性，高电压触发器32运行，脉冲形式 的高电压触发电力从直流电源施加至位于用作非线性保护元件30的GDT内中屯、处的电极， 使得燃料电池残留电能可快速排出。
[0081] 同时，考虑到燃料电池堆的工作电压从空置（idle)状态到最大负载状态降低，放 电装置，如GDT、MOV、TVS二极管或其组合的放电起始电压设定为低于燃料电池堆的最大负 载时的电压（工作电压的最小值）。
[0082] 如上所述，通过使用具有约数kA至数十kA的大放电电流容量和约数ns至数ms的 快速放电操作速度的非线性保护元件，能够快速除去燃料电池的残留电能，并且具体地，能 够快速除去燃料电池的残留电能，使得能够降低由于事故（例如，碰撞）所造成的燃料电池 堆的严重变形W及高电压充电单元和电底盘之间的直接接触所带来的短路和电弧的产生。
【主权项】
1. 一种排出燃料电池的残留电能的装置，其包括： 放电继电器，其在满足燃料电池的残留电能排出条件时接通；以及 非线性保护元件，其与所述放电继电器连接以从所述燃料电池排出残留电能。2. 根据权利要求1所述的装置，其中所述非线性保护元件为气体放电管、金属氧化物 压敏电阻或瞬态电压抑制器二极管。3. 根据权利要求1所述的装置，其中所述非线性保护元件包括气体放电管、金属氧化 物压敏电阻和瞬态电压抑制器二极管中的两种或更多种。4. 根据权利要求1所述的装置，其还包括： 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 压触发电力施加至所述非线性保护元件。5. 根据权利要求1所述的装置，其中当起动或停止车辆时，或碰撞检测传感器检测到 碰撞时，或当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，所述放电继电器与所述燃料电池连 接并且接通。6. -种排出燃料电池的残留电能的方法，其包括以下步骤： 确定是否满足燃料电池的残留电能排出条件； 当满足所述燃料电池的残留电能排出条件时，接通所述燃料电池和放电继电器，其中 所述燃料电池和非线性保护元件布置在闭合电路中；以及 通过所述非线性保护元件经所述放电继电器排出所述燃料电池的残留电能。7. 根据权利要求6所述的方法，其中所述非线性保护元件为气体放电管、金属氧化物 压敏电阻或瞬态电压抑制器二极管。8. 根据权利要求6所述的方法，其中所述非线性保护元件包括气体放电管、金属氧化 物压敏电阻和瞬态电压抑制器二极管中的两种或更多种。9. 根据权利要求6所述的方法，其还包括以下步骤： 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所述非线性 保护元件。10. 根据权利要求6所述的方法，其中所述残留电能排出条件包括： 1) 根据车辆起动后燃料电池控制单元随即所做的确定，用于防止燃料电池的电池单元 形成过电压的快速放电是必要的情况； 2) 车辆的起动停止的情况； 3) 当车辆碰撞时生成安全气囊打开信号的情况；以及 4) 在车辆运行过程中，由于碰撞、浸水、高电压组件的绝缘老化或介电击穿使车辆的绝 缘电阻降低至参考水平或更低的情况。11. 根据权利要求6所述的方法，其中所述非线性保护元件的放电起始电压被设定为 低于燃料电池堆最大负载时的电压。
【专利摘要】一种排出燃料电池的残留电能的装置和方法，其能够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的残留电能。排出燃料电池的残留电能的装置包括：在起动或停止车辆、或碰撞检测传感器检测到碰撞时与燃料电池连接并接通的放电继电器；以及与放电继电器连接以从燃料电池排出残留电能的非线性保护元件。
【IPC分类】H01M8/043
【公开号】CN105633434
【申请号】CN201510795108
【发明人】金周汉, 徐正焘, 朴庸善, 琴荣范, 李世铉
【申请人】现代自动车株式会社, 起亚自动车株式会社
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2015年11月18日
【公告号】DE102015222128A1, US20160149241