排出燃料電池殘留電能的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種排出（discharging)燃料電池殘留電能的裝置和方法，并且更具 體地，設(shè)及一種在燃料電池運行后或檢測到碰撞時為了安全而快速排出并除去燃料電池殘 留電能的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在安裝在燃料電池車輛中的燃料電池堆中，即使在起動之前和起動之后，殘留反 應(yīng)氣體存在于燃料電池堆隔離板的通道內(nèi)，使得在很長時間內(nèi)存留有電壓。
[0003] 燃料電池運行后，殘留電壓立即形成燃料電池的電池單元（cell)的過電壓，使得 正極催化劑層中出現(xiàn)碳腐蝕，從而降低燃料電池的壽命，甚至在燃料電池的運行停止后，殘 留電壓也在燃料電池堆中留有高電壓，因此存在當使用者直接與充電元件接觸時可能發(fā)生 電擊的顧慮。
[0004] 因此，為了解決運個問題，用于在起動之前和之后消耗燃料電池堆殘留電能的放 電裝置被應(yīng)用到燃料電池車輛中。 陽〇化]圖1 (現(xiàn)有技術(shù)）示出燃料電池堆的基本放電過程。
[0006] 參考圖1，燃料電池堆的一般放電過程為W下過程，在正常運行過程中起動或停止 車輛時，即，當點火開關(guān)接通或斷開時，或碰撞檢測傳感器檢測到碰撞后，通過運行放電裝 置的繼電器由放電電阻器消耗留在燃料電池堆中的電能。
[0007] 圖2(現(xiàn)有技術(shù)）為示出現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池堆的放電裝置的電路圖。
[0008] 參考圖2,現(xiàn)有技術(shù)的放電裝置具有使用電阻元件的方法，并且包括當車輛起動或 停止時（即，點火開關(guān)接通或斷開）或當碰撞發(fā)生時碰撞檢測傳感器檢測到碰撞時接通的 放電繼電器10, W及用于從燃料電池的電池單元排出殘留電能（電流）的電阻元件12,電 阻元件12設(shè)置在燃料電池系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)（Thermal Management System, TM巧的冷卻 劑管線14中用于冷卻。
[0009] 因此，在高電壓負載16和燃料電池20之間的燃料電池繼電器18斷開、并且高電 壓電池22和高電壓負載16之間的高電壓電池繼電器24斷開的狀態(tài)下，通過電阻元件12 經(jīng)由接通狀態(tài)的放電繼電器10排出燃料電池的殘留電能。
[0010] 然而，由放電電流產(chǎn)生的焦耳熱使電阻元件的溫度急劇升高，使得獨立冷卻設(shè)備， 如冷卻劑管線，成為必需，因此放電裝置的配置復(fù)雜并且其體積增大。
[0011] 此外，電阻元件存在放電時間要消耗若干秒或更久的缺點，W致在事故（例如，碰 撞）剛剛發(fā)生之后，殘留電壓在燃料電池堆中存在一段預(yù)定的時間。
[0012] 因此，在殘留電壓從燃料電池堆排出到對人安全之前，高電壓充電元件不可避免 地保持激活狀態(tài)，使得當高電壓充電元件與人接觸時，存在電擊可能性的顧慮。
[0013] 此外，當燃料電池被碰撞得損壞嚴重時，燃料電池堆的殘留電能通過電短路產(chǎn)生 電弧，W致可能會導(dǎo)致二次損壞，如電氣火災(zāi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 因此，本發(fā)明的目的是提供一種排出燃料電池堆的殘留電能的裝置和方法，其通 過使用用于保護負載設(shè)備等免受過度的過電壓的非線性保護元件，快速除去燃料電池堆的 殘留電能。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于排出燃料電池的殘留電能的裝置，其包括： 放電繼電器，其在車輛起動或停止（點火開關(guān)接通或斷開）、或碰撞檢測傳感器檢測到碰 撞、或車輛運行過程中處于包括碰撞、浸水和高電壓組件絕緣老化或介電擊穿的預(yù)定情況 并且車輛的絕緣電阻降低至參考水平或更低時，與燃料電池連接并且接通；W及與放電繼 電器連接W從燃料電池排出殘留電能的非線性保護元件。
[0016] 非線性保護元件可為選自氣體放電管（Gas Discharging Tube, GDT)、金屬氧 化物壓敏電阻（Metal Oxide Varistor, MOV)和瞬態(tài)電壓抑制器（Transient Voltage Suppressor, TV巧二極管中的一種或者其中兩種或更多種的組合。
[0017] 所述裝置還可包括高電壓觸發(fā)器，其被配置成用于產(chǎn)生脈沖形式的高電壓觸發(fā)電 力并且將所產(chǎn)生的高電壓觸發(fā)電力施加至非線性保護元件。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種排出燃料電池的殘留電能的方法，其包括：確定 是否滿足燃料電池的殘留電能排出條件；當滿足燃料電池的殘留電能排出條件時，接通燃 料電池和放電繼電器，并且配置燃料電池和非線性保護元件于閉合電路中；W及通過非線 性保護元件經(jīng)放電繼電器排出燃料電池的殘留電能。
[0019] 所述方法還可包括產(chǎn)生脈沖形式的高電壓觸發(fā)電力并且將所產(chǎn)生的高電壓觸發(fā) 電力施加至非線性保護元件。
[0020] 非線性保護元件的放電起始電壓可被設(shè)定為低于燃料電池堆最大負載時的電壓。
[0021] 通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供W下效果。
[0022] 第一，在燃料電池車輛運行停止后或當檢測到事故（例如，碰撞）時，能夠更快速 地除去燃料電池堆的殘留電能，從而顯著降低二次損害的危險，如由于介電擊穿而造成的 駕駛員或救援人員的電擊事故或電氣火災(zāi)。
[002引第二通過使用小體積非線性保護元件如GDT，能夠消耗大放電電流，從而實現(xiàn)快 速放電效果并使放電裝置小型化。
[0024] 第=，現(xiàn)有的放電裝置因電阻元件產(chǎn)熱而需要獨立的冷卻裝置（熱管理系統(tǒng)的冷 卻劑管線等），但由于非線性保護元件的使用，本發(fā)明的放電裝置不需要獨立的冷卻裝置， 從而簡化放電裝置的配置。
[0025] 第四，因放電裝置的小型化和簡化，能夠有效建立燃料電池系統(tǒng)的封裝和布局。
【附圖說明】
[0026] 現(xiàn)在將參照附圖中示出的具體的示例性實施例詳細地描述本發(fā)明的上述和其他 特征，附圖僅W舉例說明的方式給出，因此不是對本發(fā)明的限制，其中：
[0027] 圖1 (現(xiàn)有技術(shù)）為示出燃料電池堆的基本放電過程的圖；
[0028] 圖2(現(xiàn)有技術(shù)）為示出現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池堆的放電裝置的電路圖；
[0029] 圖3為示出根據(jù)本發(fā)明的燃料電池堆的快速放電過程的圖；
[0030] 圖4為示出根據(jù)本發(fā)明的燃料電池堆殘留能量放電裝置的電路圖；
[0031] 圖5為示出本發(fā)明的放電裝置中使用的一種類型的非線性元件的圖；
[0032] 圖6為示出本發(fā)明的放電裝置中使用的氣體放電管的結(jié)構(gòu)的圖；
[0033] 圖7為示出本發(fā)明的放電裝置中使用的氣體放電管的放電特性的圖示；
[0034] 圖8為示出燃料電池的放電等效電路的電路圖；化及
[0035] 圖9為示出燃料電池的放電等效電路的瞬態(tài)特性的圖示。
[0036] 應(yīng)該理解，附圖不一定按比例繪制，其呈現(xiàn)說明本發(fā)明基本原理的各種優(yōu)選特征 的某種程度上簡化的表達。在此公開的本發(fā)明的具體設(shè)計特征，例如包括具體的尺寸、方 向、位置和形狀，將部分地由具體的預(yù)期應(yīng)用和使用環(huán)境確定。
[0037] 附圖中，貫穿附圖的幾個圖片中的附圖標記指代本發(fā)明的相同或等效部件。
【具體實施方式】
[0038] W下將詳細描述本發(fā)明，W使本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可容易地實施本發(fā)明。
[0039] 應(yīng)該理解，在此使用的術(shù)語"車輛"或"車輛的"或其他相似的術(shù)語總體上包括機 動交通工具在內(nèi)，如乘用車，包括運動型多用途車（SUV)、公共車輛、卡車、各類商用車，包括 各種各樣船只和輪船的水運工具，飛機等，還包括混合動力車輛、電動車輛、插電式混合動 力車輛、氨動力車輛和其他替代燃料車輛（如非石油資源衍生的燃料）。在此提及的混合動 力車輛是具有兩種或更多動力源的車輛，例如既有汽油動力又有電動力的車輛。
[0040] 在此使用的術(shù)語僅用于描述具體實施例的目的，并不希望限制本發(fā)明。除非上下 文另外清楚地表明，在此使用的單數(shù)形式"一種/個（a/an) "、W及"該"也包括復(fù)數(shù)形式。 還應(yīng)該理解，當在本說明書中使用時，術(shù)語"包括"和/或"包含"指所述特征、整數(shù)、步驟、 操作、要素、組件和/或其群組的存在，但不排除一個或更多個其他特征、整數(shù)、步驟、運行、 要素、組件和/或其群組的存在或添加。在此使用的術(shù)語"和/或"包括一個或更多個相關(guān) 所列術(shù)語的任何和所有組合。貫穿本說明書，除非相反明確描述，單詞"包括"和變體如"包 含"或"含有"應(yīng)理解為表示包括所述要素但并不排除任何其他要素。另外，說明書中描述 的術(shù)語"元件"、器"、器件"和"模塊"意指用于處理至少一種功能和操作的單元，并且 可由硬件組件或軟件組件及其它們的組合實現(xiàn)。
[0041] 此外，本發(fā)明的控制邏輯可實施為計算機可讀介質(zhì)上的非臨時性計算機可讀媒 介，其中計算機可讀介質(zhì)包含由處理器、控制器等執(zhí)行的可執(zhí)行程序指令。計算機可讀介質(zhì) 的實例包括但不限于ROM、RAM、光盤（CD)-ROM、磁帶、軟盤、閃存驅(qū)動器、智能卡和光學數(shù)據(jù) 存儲設(shè)備。計算機可讀記錄介質(zhì)還可分布于連接網(wǎng)絡(luò)的計算機系統(tǒng)，從而計算機可讀介質(zhì) W分布式方式存儲和執(zhí)行，例如，通過遠程服務(wù)器或控制器局域網(wǎng)（CAN)。
[0042] W下將參考附圖詳細描述本發(fā)明的示例性實施例。
[0043] 首先，為了幫助理解本發(fā)明，下文將描述用于排出燃料電池堆的殘留電能的基本 電路W及其操作。 W44] 圖8為示出燃料電池的放電等效電路的電路圖。 W45] 如圖8所示，燃料電池的放電可等效于RC串聯(lián)電路，并且可處于充電的電容器C 通過電阻R放電的狀態(tài)，運樣，當繼電器在t = 0開關(guān)時，可通過等式1結(jié)合等式2表示電 容器電壓。
[0046][等式 1]
引[等式引
[0049] Vc=VFc*et/Rc
[0050] 在等式I和等式2中，Vk表示燃料電池的工作電壓，V t(t)表示等效電容器的瞬態(tài) 電壓，R表示放電裝置的電阻，t = 0表示放電裝置繼電器的運行時間點，而T表示時間常 數(shù)。
[0051] 在運種情況下，如圖9所示，燃料電池的殘留電壓心呈指數(shù)規(guī)律降低，并且降低速 率取決于時間常數(shù)（T = RC)，因此當放電元件的電阻R較小時，燃料電池具有較短的放電 時間。
[0052] 因此，本發(fā)明關(guān)注于運樣一點，即可通過使用非線性保護元件快速排出燃料電池 堆內(nèi)的殘留電壓，所述非線性保護元件具有放電元件的電阻小的特性。
[0053] 具體地，