用于加熱燃料電池堆的設備及方法
【技術領域】
[0001]在此公開的實施例總體上涉及一種用于加熱燃料電池堆的設備及方法。
【背景技術】
[0002]在吉爾克里斯特(Gilchrist)的第2007/0292724號美國公布(“以下稱為‘724公布”)中公開了一種燃料電池堆實施方式。所述‘724公布公開了一種在冷啟動狀態(tài)期間可操作的電源系統(tǒng)。所述電源系統(tǒng)包括:燃料電池堆和電力轉換系統(tǒng)，其中，可電氣操作所述燃料電池堆以產生直流(DC)電力，所述電力轉換系統(tǒng)被電連接到所述燃料電池堆，并且可操作所述電力轉換系統(tǒng)以從所述燃料電池堆接收DC電力。所述電源系統(tǒng)還包括至少一個電池和控制器，其中，所述至少一個電池被電連接到所述電力轉換系統(tǒng)，并且可操所述至少一個電池以與所述電力轉換系統(tǒng)交換電池DC電力，所述控制器至少可操作以控制所述電源系統(tǒng)的操作，使得在冷啟動狀態(tài)期間將至少一定量的脈動電流供應給所述電池。

【發(fā)明內容】

[0003]—種車輛包括:電力轉換器，被熱連接和電連接到燃料電池。所述燃料電池可用于驅動所述車輛?；谌剂想姵販囟?，控制器可被配置為操作所述燃料電池，以產生與低于正常車輛操作電壓的燃料電池電壓對應的電流。此外，在所述正常車輛操作電壓下，所述控制器進可操作所述電力轉換器在所述正常車輛操作電壓下產生電力轉換器輸出電壓并且從所述燃料電池汲取電流，以增加所述燃料電池內產生的熱。在所述電力轉換器中產生的熱可被傳遞到所述燃料電池堆，以使得加熱所述燃料電池的時間最小化。
[0004]—種用于控制燃料電池的方法包括:操作所述燃料電池，以開始自加熱，并且接合電連接到所述燃料電池的電力轉換器內的電阻加熱元件。所述方法還包括:將所述電阻加熱元件熱連接到所述燃料電池，以幫助加熱所述燃料電池，并且當所述燃料電池的溫度達到預定溫度時，使得所述加熱脫離接合。
[0005]根據本發(fā)明，提供一種用于控制燃料電池的方法，所述方法包括:操作所述燃料電池；接合電連接到所述燃料電池的電力轉換器內的電阻加熱元件；將所述電力轉換器熱連接到所述燃料電池，以加熱所述燃料電池；響應于所述燃料電池的溫度達到預定溫度而使得所述加熱元件脫離接合。
[0006]根據本發(fā)明的一個實施例，響應于所述燃料電池的開路電壓達到閾值，所述電阻加熱元件被接合，并且所述電力轉換器將所述燃料電池的電壓升高到操作電壓。
[0007]根據本發(fā)明的一個實施例，接合所述電阻加熱元件增大了所述燃料電池汲取的電流，并且增加了由所述燃料電池產生的熱。
[0008]根據本發(fā)明的一個實施例，所述電力轉換器經由濕式冷卻系統(tǒng)被熱連接到所述燃料電池。
[0009]根據本發(fā)明的一個實施例，所述電力轉換器還包括:電感器，并且其中，接合所述電阻加熱元件包括:按照大于最大功率占空比的占空比，激勵所述電感器和所述電阻加熱元件，使得所述燃料電池通過放熱反應進行自加熱。
[0010]根據本發(fā)明的一個實施例，所述方法還包括:當所述燃料電池達到所述操作電壓時，繞過所述電力轉換器。
[0011]—種燃料電池系統(tǒng)包括:燃料電池堆，被熱連接和電連接到電力轉換器；控制器?；陔姵囟褱囟鹊陀陂撝?，所述控制器可被配置為:操作所述燃料電池通過產生電流來進行自加熱。所述控制器還可被配置為:操作所述電力轉換器通過產生操作電壓來進行自加熱。熱系統(tǒng)被配置為將熱從所述電力轉換器傳遞到所述燃料電池堆。
[0012]根據本發(fā)明，提供一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括:燃料電池堆；電力轉換器，被連接到所述電池堆；控制器，被配置為響應于電池堆溫度低于閾值而使得所述電池堆輸出電流，以在所述電池堆內產生熱，并且使得所述電力轉換器輸出電壓，以在所述電力轉換器內產生熱；熱系統(tǒng)，被配置為將所述熱從所述電力轉換器傳遞到所述電池堆。
[0013]根據本發(fā)明的一個實施例，所述電力轉換器包括:電力開關和電阻加熱元件。
[0014]根據本發(fā)明的一個實施例，所述電阻加熱元件能夠被選擇性地接合。
[0015]根據本發(fā)明的一個實施例，使得所述電力轉換器輸出電壓包括:按照大于最大功率占空比的占空比，調制所述電力開關。
[0016]根據本發(fā)明的一個實施例，使得所述電力轉換器輸出電壓包括:按照占空比范圍內的占空比，調制所述電力開關，使得所述占空比的進一步增加導致所述電池堆的功率輸出的減少。
[0017]根據本發(fā)明的一個實施例，所述控制器還被配置為:選擇性地繞過所述電阻加熱元件，并且將所述燃料電池的電壓升高到車輛牽引馬達的操作電壓，以使所述車輛能夠在加熱所述燃料電池堆的同時啟動。
【附圖說明】
[0018]結合權利要求的特征指出了本公開的實施例。然而，通過結合附圖參照下面的詳細的描述，多種實施例的其它特點將變得更加清楚并且將被更好地理解，附圖中:
[0019]圖1描繪了用于加熱燃料電池堆的第一設備；
[0020]圖2描繪了用于以高電壓實施方式加熱燃料電池堆的第二設備；
[0021]圖3描繪了用于以低電壓實施方式加熱燃料電池堆的第三設備；
[0022]圖4是描繪了與燃料電池堆有關的各種電學特性的圖示；
[0023]圖5描繪了具有用于以高電壓實施方式加熱燃料電池堆的第四設備的車輛；
[0024]圖6描繪了用于加熱燃料電池堆的第五設備；
[0025]圖7描繪了用于加熱燃料電池堆的第六設備；
[0026]圖8描繪了用于加熱燃料電池堆的第七設備；
[0027]圖9描繪了用于加熱燃料電池堆的第八設備；
[0028]圖10是描繪與燃料電池堆有關的各種電學特性的圖示。
【具體實施方式】
[0029]根據需要，在此公開本發(fā)明的詳細實施例；然而，應當理解，公開的實施例僅是本發(fā)明的示例，本發(fā)明可以以各種和替代形式實現(xiàn)。附圖不一定按比例繪制；一些特征可能會被夸大或縮小，以示出特定組件的細節(jié)。因此，在此所公開的具體結構和功能性細節(jié)不應當被解釋為具有限制性，而僅是用于教導本領域技術人員以多種形式使用實施例的代表性基礎。
[0030]本公開的實施例總體上提供了多個電路或其它電氣裝置。對所述電路和其它電氣裝置以及由它們中的每一個提供的功能的所有引用，并不意在限于僅涵蓋在此示出和描述的電路或電氣裝置。雖然可給公開的各種電路或其它電氣裝置分配特定的標號，但是這樣的標號并不意在限制所述電路和其它電氣裝置的操作范圍?？苫谄谕奶囟愋偷碾姎鈱嵤┓绞?，按照任何方式將所述電路和其它電氣裝置彼此組合和/或分離。應該認識到，在此公開的任何電路或其他電氣裝置可包括任意數(shù)量的微處理器、集成電路、存儲裝置(例如，閃存、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、電可編程只讀存儲器(EPROM)，電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)或上述項的其它合適的變體)以及彼此協(xié)作以執(zhí)行在此公開的操作的軟件。
[0031]響應于電化學地轉換氧氣和氫氣，燃料電池堆產生電力。通常，燃料電池堆包括被結合在一起的多個燃料電池，其中，每個燃料電池產生由燃料電池堆提供的電流總量的一部分。通常，燃料電池堆的冷啟動可能需要向外轉儲(dump)電力(比如將電力轉儲到水乙二醇(WEG)加熱器或在費電模式下使用牽引馬達(或電動力傳動系統(tǒng)))。WEG加熱器被用于在冷啟動模式下加熱燃料電池堆。在一些實施方式中，可使用至少兩個WEG加熱器來啟用燃料電池堆的冷啟動。由于在某些情況下很少使用這些，因此這一狀況增加了車輛的重量。當溫度低于5°C時，通常需要與燃料電池堆有關的冷啟動操作。
[0032]在冷啟動模式下，燃料電池堆的全部加熱可能會耗費大量的時間。這一狀況可能使駕駛員在車輛中冷啟動燃料電池堆之后不能簡單地啟動車輛。已經嘗試了一些方法來短接燃料電池堆，以便加熱燃料電池堆，并將燃料電池堆重新連接到車輛總線(例如，解除所述短接狀