用於加熱燃料電池堆的設備和方法
2023-06-14 22:49:41 1
用於加熱燃料電池堆的設備和方法
【專利摘要】本發明提供一種用於在冷起動模式下加熱燃料電池堆的設備和方法。所述設備包括燃料電池堆、升壓轉換器和控制器。所述燃料電池堆驅動車輛。所述升壓轉換器包括熱結合到燃料電池堆的電力開關。所述控制器被配置為在車輛起動期間接收指示溫度的信號並將溫度和預定的溫度值進行比較。所述控制器還被配置為如果溫度低於所述預定的溫度值，則激活電力開關，使得電力開關產生用於施加到燃料電池堆上的熱並產生用於驅動電力電路的電壓，以使車輛能夠在燃料電池堆接收熱時起動。
【專利說明】用於加熱燃料電池堆的設備和方法
[0001]本申請要求於2013年3月15日提交的序列號為61/794，728的美國臨時申請和2013年8月5日提交的序列號為13/959，242的美國專利申請的權益，這兩個美國申請的公開內容通過引用被全部包含於此。
【技術領域】
[0002]在此公開的實施例總體上涉及一種用於加熱燃料電池堆的設備和方法。
【背景技術】
[0003]吉爾克裡斯特(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。『724公布公開了一種在冷起動狀態期間操作的電源系統。電源系統包括燃料電池堆和電力轉換系統，可電力地操作燃料電池堆以產生直流(DC)電力，電力轉換系統電連接到燃料電池堆，並且可操作電力轉換系統以從燃料電池堆接收DC電力。電源系統還包括至少一個電池和控制器，至少一個電池電連接到電力轉換系統，並且可操作所述至少一個電池以和電力轉換系統交換電池DC電力，控制器至少可操作以控制電源系統的操作，以便在冷起動狀態期間將至少一定量的脈動電流供應給電池。
【發明內容】
[0004]提供一種用於在冷起動模式下加熱燃料電池堆的設備。所述設備包括燃料電池堆、升壓轉換器和控制器。所述燃料電池堆驅動車輛。所述升壓轉換器包括熱結合到燃料電池堆的電力開關。所述控制器被配置為在車輛起動期間接收指示溫度的信號並將溫度和預定的溫度值進行比較。所述控制器還被配置為如果溫度低於所述預定的溫度值，則激活電力開關，使得電力開關產生用於施加到燃料電池堆的熱並產生用於驅動電力電路的電壓，以使車輛能夠在燃料電池堆接收熱時起動。
[0005]所述升壓轉換器還可包括可操作地結合到燃料電池堆的接觸器。
[0006]所述控制器還可被配置為在溫度低於所述預定的溫度值的情況下斷開所述接觸器。
[0007]所述控制器還可被配置為在溫度高於所述預定的溫度值的情況下閉合所述接觸器。
[0008]所述接觸器可被配置為將電力從燃料電池堆傳送到車輛中的負載，以驅動車輛。
[0009]所述電力電路可包括:DC/DC轉換器，用於接收電壓，以驅動陰極壓縮機和牽引電動機，使得車輛能夠在燃料電池堆接收熱時起動。
[0010]所述電壓可以在125V至150V之間。
[0011]提供一種用於在冷起動模式下加熱燃料電池堆的設備。所述設備包括可操作地結合到升壓轉換器的控制器，所述升壓轉換器包括電力開關。所述電力開關熱結合到燃料電池堆。所述控制器被配置為在車輛起動期間接收指示溫度的信號並將所述溫度和預定的溫度值進行比較。所述控制器還被配置為如果溫度低於所述預定的溫度值，則激活電力開關，使得電力開關產生用於施加到燃料電池堆的熱並產生用於驅動電力電路的電壓，以使車輛能夠在燃料電池堆接收熱時起動。
[0012]所述升壓轉換器還可包括可操作地結合到燃料電池堆的接觸器。
[0013]所述控制器還可被配置為在溫度低於所述預定的溫度值的情況下斷開所述接觸器。
[0014]所述控制器還可被配置為在溫度高於所述預定的溫度值的情況下閉合所述接觸器。
[0015]所述接觸器可被配置為將電力從燃料電池堆傳送到車輛中的負載，以驅動車輛。
[0016]所述電力電路可包括:DC/DC轉換器，用於接收電壓，以驅動陰極壓縮機和牽引電動機，使得車輛能夠在燃料電池堆接收熱時起動。
[0017]所述電壓可以在125V至150V之間。
[0018]提供一種包括控制器的設備。所述控制器可操作地結合到升壓轉換器，所述升壓轉換器包括電力開關。所述控制器被配置為在車輛起動期間接收指示溫度的信號，並且如果所述溫度低於所述預定的溫度值，則激活電力開關，以將熱施加到燃料電池堆並產生用於驅動電力電路的電壓，以使車輛能夠在燃料電池堆接收熱時起動。
[0019]所述升壓轉換器還可包括可操作地結合到燃料電池堆的接觸器。
[0020]所述控制器還可被配置為在溫度高於所述預定的溫度值的情況下閉合所述接觸器。
[0021]所述接觸器可被配置為將電力從燃料電池堆傳送到車輛中的負載，以驅動車輛。
[0022]所述電力電路可包括:DC/DC轉換器，用於接收電壓，以驅動陰極壓縮機和牽引電動機，使得車輛能夠在燃料電池堆接收熱時起動。
[0023]所述電壓可以在125V至150V之間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]結合權利要求的特徵指出了本公開的實施例。然而，通過下面結合附圖對各種實施例進行詳細的描述，這些實施例的其它特點將變得更加清楚並且將被更好地理解，附圖中:
[0025]圖1描繪了根據一個實施例的用於加熱燃料電池堆的第一設備；
[0026]圖2描繪了根據一個實施例的用於以高電壓實施方式加熱燃料電池堆的第二設備;
[0027]圖3描繪了根據一個實施例的用於以低電壓實施方式加熱燃料電池堆的第三設備;
[0028]圖4是描繪了根據一個實施例的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，在此公開本公開的詳細實施例；然而，應當理解，公開的實施例僅是本發明的示例，本發明可以按照各種以及替代形式實現。附圖不一定是按比例繪製的；一些特徵可能會被誇大或者縮小，以顯示特定組件的細節。因此，在此公開的具體結構和功能性細節不應當被解釋為限制，而僅僅作為用於教導本領域技術人員變化地應用本發明的代表性基礎。
[0030]本公開的實施例總體上提供多個電路或其它電子裝置。電路或其它電子裝置以及由每個電路和電子裝置提供的功能的所有引用並非意在限於僅僅包含在此示出和描述的電路和電子裝置。儘管可給各種電路或其它電子裝置分配特定的標籤，但是這些標籤並非意在限制電路和其它電子裝置的操作的範圍。基於期望的特定類型的電子實施方式，這些電路和其它電子裝置可彼此組合和/或以任何方式分開。應該認識到，在此公開的任何電路或其它電子裝置可包括任何數量的微處理器、集成電路、存儲裝置(例如，FLASH、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)或其它合適的變體)以及彼此協作以執行在此公開的操作的軟體。
[0031 ] 響應於電化學地轉換氧氣和氫氣，燃料電池堆產生電力。通常，燃料電池堆包括彼此結合的多個燃料電池，其中，每個燃料電池產生由燃料電池堆提供的電流的總量的一部分。通常，燃料電池堆的冷起動可能需要向外轉儲(dump)電力(諸如將電力轉儲到水乙二醇(WEG)加熱器中或者在費電模式(power waste mode)下使用牽引電動機(或電動動力系統))。WEG加熱器被用於在冷起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起動。由於在某些情況下很少使用這些，所以這一狀況增加車輛的重量。當溫度低於5°C時，通常需要與燃料電池堆有關的冷起動操作。
[0032]在冷起動模式下燃料電池堆的全部加熱可能花費大量的時間。這一狀況可能使駕駛員在車輛中的燃料電池堆冷起動之後不能簡單地起動(driveaway)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，並將燃料電池堆重新連接到車輛總線，以便在燃料電池堆被加熱到期望的溫度之後進行正常的燃料電池堆操作。這一解決方案可以廉價的實現。然而，由於燃料電池堆被短接，所以車輛不可能在冷起動模式下起動。為了消除所述短接狀態，燃料電池堆必須達到期望的溫度。一旦燃料電池堆達到期望的溫度，那麼車輛可執行車輛起動。
[0033]在此公開的實施例可提供一種燃料電池升壓轉換器(boost converter),以幫助燃料電池堆在冷起動模式下加熱。升壓轉換器允許燃料電池堆將其輸出電壓改變為期望的電平，同時在車輛側保持最佳電壓。通過利用燃料電池堆電流增加時導致燃料電池堆的內電阻增加而在燃料電池堆上產生熱(增加廢熱產生率)。為了正常的燃料電池堆操作，形成升壓轉換器的一部分的接觸器閉合，從而繞過升壓轉換器內的用於在冷起動模式下加熱燃料電池堆的附加的電子器件。為了在冷起動模式下加熱燃料電池堆，接觸器被控制為斷開，升壓轉換器上的附加的電子器件(例如，絕緣柵雙極型電晶體(IGBT))被切換為抽取電流，從而使燃料電池堆產生熱。當升壓轉換器抽取電流來加熱燃料電池堆時，這一狀況向駕駛員提供起動車輛的能力。以下，將會更詳細地描述這些方面和其它方面。
[0034]圖1描繪了根據一個實施例的用於加熱燃料電池堆12的第一設備10。第一設備10可包括升壓轉換器14，升壓轉換器14可操作地連接到多個負載16。第一設備10可被實施在車輛13中。升壓轉換器14包括接觸器18、電感器20、二極體22和開關器件24(諸如IGBT或其它適合的器件)。在正常的燃料電池起動狀況(例如，車輛13在車輛13的外部溫度大於5°C時起動)期間，接觸器18閉合，使得燃料電池堆12向負載16提供電力。當接觸器18閉合時，從燃料電池堆12產生的電流流經接觸器18，並繞過電感器20、二極體22和開關裝置24。
[0035]在冷起動模式(例如，車輛13在外部溫度小於5°C時起動)下，接觸器18斷開，並且燃料電池堆12驅動電感器20、二極體22和開關器件24。在這種情況下，IGBT24響應於來自燃料電池堆12的電力產生熱。運送冷卻劑的管道(未示出)被放置在IGBT24附近，使得冷卻劑從那裡被加熱。所述管道關於燃料電池堆12延伸，被加熱的冷卻劑用於加熱燃料電池堆12。另外，IGBT24驅動負載16。應該認識到，負載16包括使車輛能夠駕駛和/或操作的任意數量的車輛相關設備。在冷起動模式下，IGBT24可提供足夠的電力以驅動至少部分負載16，使得在燃料電池堆12的冷起動期間車輛起動狀況成為可能。以下將對此進行更詳細地討論。
[0036]圖2描繪了根據一個實施例的用於以高電壓實施方式加熱燃料電池堆12的第二設備30。第二設備30總體上包括燃料電池堆12、升壓轉換器14、控制器32和溫度傳感器
33。通常，溫度傳感器33可基於燃料電池堆12的特定模式來控制接觸器18斷開或閉合。例如，在燃料電池堆12處於正常的燃料電池起動狀態的情況下，控制器32可控制接觸器18閉合，從而允許電力繞過升壓轉換器14內的IGBT24和附加的電路。在這種情況下，各種負載16 (諸如但不限於牽引電動機34、空氣壓縮機(或陰極壓縮機)36、可變電壓負載38 (例如，電動壓縮機電動機或其它可在從170V變化到450V的電壓下操作的適合的裝置)、DC/DC轉換器40、固定電壓負載42 (例如，開環控制感應電動機))和電池44可由燃料電池堆12供電。控制器32被配置為在車輛起動期間從溫度傳感器33接收用於指示車輛13的外部溫度的信號。如果測量的溫度超出預定的溫度水平，則控制器32確定車輛13處於正常的燃料電池起動狀態。在這種情況下，控制器32閉合接觸器18，以允許燃料電池堆12向負載16供電。
[0037]一般來說，第二設備30可總體上被定義為高電壓燃料電池堆實施方式。在這種情況下，燃料電池堆12提供足夠的電流以驅動牽引電動機34和空氣壓縮機36。例如，燃料電池堆12可將用於提供170V至450V之間電壓的電流提供到車輛總線35，以驅動牽引電動機
34、空氣壓縮機36和可變電壓負載38。
[0038]牽引電動機34被構造為使車輛13能夠被驅動。空氣壓縮機36對傳送至燃料電池堆12的氣流進行增壓，以允許燃料電池堆12產生電流。在一個示例中，空氣壓縮機36可能需要至少170V來運轉燃料電池堆的操作。然而，空氣壓縮機36可能仍然提供足夠的增壓空氣，以允許燃料電池堆12在低於170V的電壓下執行車輛起動(例如，在冷起動模式下的局部操作)。以下，將對此進行更詳細地討論。如上指出，燃料電池堆12接收空氣和氫氣，並將所述空氣和氫氣電化學地轉換成電流或電力。
[0039]在正常燃料電池起動狀態(正常燃料電池操作)下，燃料電池堆12可產生存儲在電池44上的電力。另外，電池44還可以向車輛13中的各種負載16供電。DC/DC轉換器40被布置為升壓/降壓轉換器(boost/buck converter)。例如,DC/DC轉換器40可用作降壓轉換器，並使得從燃料電池堆12提供的電壓逐步降低為適合於存儲在電池44上的電壓，並且供固定電壓負載42使用。當DC/DC轉換器40被布置為升壓轉換器時，可使得從電池44提供的電壓逐步上升，以驅動牽引電動機34、空氣壓縮機36和可變電壓負載38。
[0040]在車輛起動期間，在控制器32基於從溫度傳感器33接收的信息確定溫度低於預定的溫度值(例如，5°C )的情況下，控制器32確定燃料電池堆12正在經歷冷起動(例如，車輛處於冷起動模式)。[0041 ] 如果溫度降到5°C以下，並且車輛13被起動以進行運轉(例如，燃料電池堆12經歷冷起動)，則控制器32控制接觸器18斷開，從而允許燃料電池堆12向電感器20、二極體22和開關裝置24供應電力。響應於產生被提供給燃料電池堆12的電流，IGBT24提供熱以對燃料電池堆12進行加熱。在這種情況下，IGBT24提供足夠的電力(或充足的電壓電平)以激活DC/DC轉換器40。例如，DC/DC轉換器40可能具有125V-150V之間的範圍內的最小操作電壓。升壓轉換器14結合DC/DC轉換器40來提供足夠的電壓(例如，至少125V)和電力，以運行負載16 (包括牽引電動機34和空氣壓縮機36)，從而在冷起動模式下執行車輛起動。DC/DC轉換器40還可升高來自電池44的電壓，以驅動牽引電動機34和空氣壓縮機36，從而允許駕駛員能夠執行車輛起動。
[0042]應該認識到，溫度對於駕駛員起動車輛的能力起作用。例如，溫度越低，車輛13執行起動花費的時間越長。例如，在溫度為_15°C的情況下，可能需要花費大約二十秒至三十秒來執行車輛起動操作。在另一示例中，在溫度為_40°C的情況下，可能需要花費大約1.5分鐘來執行車輛起動。在冷起動模式下，升壓轉換器14通常提供足夠的熱以加熱燃料電池堆12並提供足夠的電壓以驅動車輛總線35上的裝置，以便使駕駛員能夠起動車輛。一旦燃料電池堆12的溫度到達預定的水平，則控制器32控制接觸器18閉合，從而去激活IGBT24。在那時，由燃料電池堆12提供增加的電壓電平，以驅動車輛總線35上的各種負載16。
[0043]圖3描繪了根據一個實施例的用於以低電壓實施方式加熱燃料電池堆12的第三設備50。一般來說,第三設備50總體上可被定義為低電壓燃料電池堆實施方式。第三設備50包括第一 DC/DC轉換器52和第二 DC/DC轉換器54，第二 DC/DC轉換器54替代關於圖2中所述的DC/DC轉換器40。另外，例如，第三設備50包括附加的車輛總線負載38'(例如，需要來自車輛總線35的較高的電壓量的負載，諸如牽引電動機34)和來自電池44的電池總線負載42'(例如，當與來自車輛總線35的電壓相比較時需要較低的電壓量的負載(諸如空調壓縮機電動機))。
[0044]燃料電池堆12總體上被構造為提供比關於圖2中描述的燃料電池堆12的電壓更低的電壓量(例如，250V)。這樣，儘管接觸器18在正常燃料電池操作模式下閉合，但是第一DC/DC轉換器52作為升壓轉換器，並將250V的電壓升高到車輛總線35上的350V至400V。車輛總線35上的這樣的升高的電壓在正常操作模式下驅動牽引電動機34和空氣壓縮機36。另外，附加的車輛總線負載38'還利用350V至400V之間的電壓。第二 DC/DC轉換器54還可作為降壓轉換器，並將車輛總線35上的電壓逐步降低為適合於存儲在電池44上並驅動電池總線負載42'的電壓。
[0045]在冷起動模式下，控制器32控制接觸器18斷開，以允許燃料電池堆12向電感器20、二極體22和IGBT24供電。IGBT24向燃料電池堆12提供熱，以對燃料電池堆12進行加熱。在這種情況下，IGBT24提供足夠的電力(或充足的電壓電平)，以激活第一 DC/DC轉換器52。第一 DC/DC轉換器52可具有125V-150V之間的範圍內的最低操作電壓。在這種情況下，IGBT24提供足夠向第一 DC/DC轉換器52提供最低量的電壓的電流，使得第一 DC/DC轉換器52能夠進行操作。然後，第一 DC/DC轉換器52可升高來自燃料電池堆12的電壓，以驅動牽引電動機34和空氣壓縮機36，從而允許駕駛員能夠執行車輛起動。第二 DC/DC轉換器54然後可基於車輛總線35上的電壓進行操作。換句話說，當第一 DC/DC轉換器52接收至少125V的電壓或者一些其它最低電壓時，第二 DC/DC轉換器54由車輛總線35上保持不變的電壓驅動，從第一 DC/DC轉換器52的輸出提供車輛總線35上的電壓。
[0046]圖4是描繪了根據一個實施例的與燃料電池堆12有關的各種電學特性(例如，沿y軸)作為來自燃料電池堆12的輸出電流(Stack-1-terminal-gross)(例如,沿x軸)的函數的圖示70。圖示70示出了總體上與燃料電池堆12的端子處的電壓(Stack-U-terminal)對應的第一波形72。圖示70還示出了總體上與傳送給車輛13的功率(Stack-Pw-terminal)對應的第二波形74，所述功率是通過將燃料電池堆12的電壓與燃料電池堆12的輸出電流相乘而計算的。圖示70還示出了總體上與向燃料電池堆12內部提供的熱量(Stack-Pw-heat)對應的第三波形76。
[0047]總體上如點82處所示，第一波形72示出了燃料電池堆12處於開路電壓(OCV)(例如，250V)，IGBT24處於0%佔空比。第二波形74示出了當第一波形72的電壓減小時，隨著輸出電流增加，傳送給車輛13的功率增加。在這種情況下，IGBT24增加其佔空比，導致輸出電流增加，並且導致燃料電池堆12處的電壓降低。當IGBT24處於100%佔空比時，輸出電流處於最大值(例如，大約770A)，但是燃料電池堆12的電壓已經下降到0V。
[0048]總體上如點84處所示，這一狀態指示將隨著燃料電池堆12變熱而增加的燃料電池堆12的最大可用功率(例如，可從燃料電池堆12傳送到負載16的最大功率)。在第二波形74中，傳送給車輛的功率在大約675A (對應於IGBT24的特定的X佔空比)處達到車輛峰值，然後傳送的功率減小。總體上如點86處所示，當IGBT24處於100%佔空比時，傳送的功率下降為零。圖示70上穿過X軸上的675A的垂直線90和當IGBT24處於特定的X佔空比並且傳送給車輛13的功率處於其峰值時相對應。對於如第二波形74所展現的傳送到車輛13的相同功率，與通過將IGBT24的佔空比從0%調製到X (例如，在垂直線90的左側操作燃料電池堆12)相比，通過將IGBT24的佔空比從X調製到100% (例如，在垂直線90的右側操作燃料電池堆12)，燃料電池堆將產生更多的熱，如第三波形76所展現。
[0049]雖然上面已經描述了示例性實施例，但是並非是指這些實施例描述了本發明的所有可能的形式。更確切地說，說明書中所使用的詞語是描述性的詞語而不是限制性的詞語，而且應該理解的是，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以對其進行各種改變。另夕卜，各種實施的實施例的特徵可結合，以形成本發明的更進一步的實施例。
【權利要求】
1.一種用於在冷起動模式下加熱燃料電池堆的設備，所述設備包括: 燃料電池堆，用於驅動車輛； 升壓轉換器，包括熱結合到燃料電池堆的電力開關； 控制器，被配置為: 在車輛起動期間接收指示溫度的信號； 將溫度和預定的溫度值進行比較； 如果溫度低於所述預定的溫度值，則激活電力開關，使得電力開關產生用於施加到燃料電池堆的熱並產生用於驅動電力電路的電壓，以使車輛能夠在燃料電池堆接收熱時起動。
2.根據權利要求1所述的設備，其中，所述升壓轉換器還包括可操作地結合到燃料電池堆的接觸器。
3.根據權利要求2所述的設備，其中，所述控制器還被配置為在溫度低於所述預定的溫度值的情況下斷開所述接觸器。
4.根據權利要求2所述的設備，其中，所述控制器還被配置為在溫度高於所述預定的溫度值的情況下閉合所述接觸器。
5.根據權利要求4所述的設備，其中，所述接觸器被配置為將電力從燃料電池堆傳送到車輛中的負載，以驅動車輛。
6.根據權利要求1所述的設備，其中，所述電力電路包括:DC/DC轉換器，用於接收電壓，以驅動陰極壓縮機和牽引電動機，以使車輛能夠在燃料電池堆接收熱時起動。
7.根據權利要求6所述的設備，其中，所述電壓在125V至150V之間。
【文檔編號】H01M8/04GK104051764SQ201410099489
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月17日 優先權日:2013年3月15日
【發明者】哈斯迪·R·哈希姆, 克雷格·溫菲爾德·彼得森, 雷蒙德·安東尼·斯皮特裡 申請人:福特全球技術公司