CN105226307B - 用于加热燃料电池堆的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于加热燃料电池堆的设备和方法。提供了一种在冷启动模式下加热燃料电池堆的设备。所述设备包括燃料电池堆、电力转换器和控制器。所述电力转换器可包括：电力开关和电阻加热元件，所述电阻加热元件被热连接到所述燃料电池堆。所述控制器被配置为：如果电池堆温度低于预定的温度值，则激活所述电力转换器，从所述燃料电池堆汲取电流，以使得所述燃料电池堆产生热。来自所述电力转换器的热还被施加到所述燃料电池堆。

Description

用于加热燃料电池堆的设备及方法
技术领域
在此公开的实施例总体上涉及一种用于加热燃料电池堆的设备及方法。
背景技术
在吉尔克里斯特(Gilchrist)的第2007/0292724号美国公布(“以下称为‘724公布”)中公开了一种燃料电池堆实施方式。所述‘724公布公开了一种在冷启动状态期间可操作的电源系统。所述电源系统包括：燃料电池堆和电力转换系统，其中，可电气操作所述燃料电池堆以产生直流(DC)电力，所述电力转换系统被电连接到所述燃料电池堆，并且可操作所述电力转换系统以从所述燃料电池堆接收DC电力。所述电源系统还包括至少一个电池和控制器，其中，所述至少一个电池被电连接到所述电力转换系统，并且可操所述至少一个电池以与所述电力转换系统交换电池DC电力，所述控制器至少可操作以控制所述电源系统的操作，使得在冷启动状态期间将至少一定量的脉动电流供应给所述电池。
发明内容
一种车辆包括：电力转换器，被热连接和电连接到燃料电池。所述燃料电池可用于驱动所述车辆。基于燃料电池温度，控制器可被配置为操作所述燃料电池，以产生与低于正常车辆操作电压的燃料电池电压对应的电流。此外，在所述正常车辆操作电压下，所述控制器进可操作所述电力转换器在所述正常车辆操作电压下产生电力转换器输出电压并且从所述燃料电池汲取电流，以增加所述燃料电池内产生的热。在所述电力转换器中产生的热可被传递到所述燃料电池堆，以使得加热所述燃料电池的时间最小化。
一种用于控制燃料电池的方法包括：操作所述燃料电池，以开始自加热，并且接合电连接到所述燃料电池的电力转换器内的电阻加热元件。所述方法还包括：将所述电阻加热元件热连接到所述燃料电池，以帮助加热所述燃料电池，并且当所述燃料电池的温度达到预定温度时，使得所述加热脱离接合。
根据本发明，提供一种用于控制燃料电池的方法，所述方法包括：操作所述燃料电池；接合电连接到所述燃料电池的电力转换器内的电阻加热元件；将所述电力转换器热连接到所述燃料电池，以加热所述燃料电池；响应于所述燃料电池的温度达到预定温度而使得所述加热元件脱离接合。
根据本发明的一个实施例，响应于所述燃料电池的开路电压达到阈值，所述电阻加热元件被接合，并且所述电力转换器将所述燃料电池的电压升高到操作电压。
根据本发明的一个实施例，接合所述电阻加热元件增大了所述燃料电池汲取的电流，并且增加了由所述燃料电池产生的热。
根据本发明的一个实施例，所述电力转换器经由湿式冷却系统被热连接到所述燃料电池。
根据本发明的一个实施例，所述电力转换器还包括：电感器，并且其中，接合所述电阻加热元件包括：按照大于最大功率占空比的占空比，激励所述电感器和所述电阻加热元件，使得所述燃料电池通过放热反应进行自加热。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：当所述燃料电池达到所述操作电压时，绕过所述电力转换器。
一种燃料电池系统包括：燃料电池堆，被热连接和电连接到电力转换器；控制器。基于电池堆温度低于阈值，所述控制器可被配置为：操作所述燃料电池通过产生电流来进行自加热。所述控制器还可被配置为：操作所述电力转换器通过产生操作电压来进行自加热。热系统被配置为将热从所述电力转换器传递到所述燃料电池堆。
根据本发明，提供一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：燃料电池堆；电力转换器，被连接到所述电池堆；控制器，被配置为响应于电池堆温度低于阈值而使得所述电池堆输出电流，以在所述电池堆内产生热，并且使得所述电力转换器输出电压，以在所述电力转换器内产生热；热系统，被配置为将所述热从所述电力转换器传递到所述电池堆。
根据本发明的一个实施例，所述电力转换器包括：电力开关和电阻加热元件。
根据本发明的一个实施例，所述电阻加热元件能够被选择性地接合。
根据本发明的一个实施例，使得所述电力转换器输出电压包括：按照大于最大功率占空比的占空比，调制所述电力开关。
根据本发明的一个实施例，使得所述电力转换器输出电压包括：按照占空比范围内的占空比，调制所述电力开关，使得所述占空比的进一步增加导致所述电池堆的功率输出的减少。
根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：选择性地绕过所述电阻加热元件，并且将所述燃料电池的电压升高到车辆牵引马达的操作电压，以使所述车辆能够在加热所述燃料电池堆的同时启动。
附图说明
结合权利要求的特征指出了本公开的实施例。然而，通过结合附图参照下面的详细的描述，多种实施例的其它特点将变得更加清楚并且将被更好地理解，附图中：
图1描绘了用于加热燃料电池堆的第一设备；
图2描绘了用于以高电压实施方式加热燃料电池堆的第二设备；
图3描绘了用于以低电压实施方式加热燃料电池堆的第三设备；
图4是描绘了与燃料电池堆有关的各种电学特性的图示；
图5描绘了具有用于以高电压实施方式加热燃料电池堆的第四设备的车辆；
图6描绘了用于加热燃料电池堆的第五设备；
图7描绘了用于加热燃料电池堆的第六设备；
图8描绘了用于加热燃料电池堆的第七设备；
图9描绘了用于加热燃料电池堆的第八设备；
图10是描绘与燃料电池堆有关的各种电学特性的图示。
具体实施方式
根据需要，在此公开本发明的详细实施例；然而，应当理解，公开的实施例仅是本发明的示例，本发明可以以各种和替代形式实现。附图不一定按比例绘制；一些特征可能会被夸大或缩小，以示出特定组件的细节。因此，在此所公开的具体结构和功能性细节不应当被解释为具有限制性，而仅是用于教导本领域技术人员以多种形式使用实施例的代表性基础。
本公开的实施例总体上提供了多个电路或其它电气装置。对所述电路和其它电气装置以及由它们中的每一个提供的功能的所有引用，并不意在限于仅涵盖在此示出和描述的电路或电气装置。虽然可给公开的各种电路或其它电气装置分配特定的标号，但是这样的标号并不意在限制所述电路和其它电气装置的操作范围。可基于期望的特定类型的电气实施方式，按照任何方式将所述电路和其它电气装置彼此组合和/或分离。应该认识到，在此公开的任何电路或其他电气装置可包括任意数量的微处理器、集成电路、存储装置(例如，闪存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程只读存储器(EPROM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)或上述项的其它合适的变体)以及彼此协作以执行在此公开的操作的软件。
响应于电化学地转换氧气和氢气，燃料电池堆产生电力。通常，燃料电池堆包括被结合在一起的多个燃料电池，其中，每个燃料电池产生由燃料电池堆提供的电流总量的一部分。通常，燃料电池堆的冷启动可能需要向外转储(dump)电力(比如将电力转储到水乙二醇(WEG)加热器或在费电模式下使用牵引马达(或电动力传动系统))。WEG加热器被用于在冷启动模式下加热燃料电池堆。在一些实施方式中，可使用至少两个WEG加热器来启用燃料电池堆的冷启动。由于在某些情况下很少使用这些，因此这一状况增加了车辆的重量。当温度低于5℃时，通常需要与燃料电池堆有关的冷启动操作。
在冷启动模式下，燃料电池堆的全部加热可能会耗费大量的时间。这一状况可能使驾驶员在车辆中冷启动燃料电池堆之后不能简单地启动车辆。已经尝试了一些方法来短接燃料电池堆，以便加热燃料电池堆，并将燃料电池堆重新连接到车辆总线(例如，解除所述短接状态)，以便在燃料电池堆被加热到期望的温度之后进行正常的燃料电池堆操作。这一解决方案可以廉价地实现。然而，由于燃料电池堆在冷启动模式下被短接，因此车辆不可能启动。为了解除所述短接状态，燃料电池堆必须达到期望的温度。一旦燃料电池堆达到期望的温度，那么车辆可执行启动状态。
在此公开的实施例可提供包括升压转换器、降压转换器或降压-升压转换器的燃料电池转换器，以帮助燃料电池堆在冷启动模式下加热。转换器可以是单向转换器或双向转换器。升压转换器允许燃料电池堆将输出电压改变为其期望的电平，同时在车辆侧保持最佳电压。通过利用在燃料电池堆电流增加时出现燃料电池堆的内电阻的增加而在燃料电池堆上产生热(增加废热产生率)。为了正常的燃料电池堆操作，形成升压转换器的一部分的接触器闭合，从而绕开用于在冷启动模式下加热燃料电池堆的升压转换器内的附加电子器件。为了在冷启动模式下加热燃料电池堆，接触器被控制为断开，同时升压转换器上的附加电子器件(例如，绝缘双极型晶体管(IGBT))被切换为汲取电流，从而使燃料电池堆产生热。当升压转换器汲取电流以加热燃料电池堆时，这一状况向驾驶员提供启动车辆的能力。以下，将会更详细地描述这些方面和其它方面。
图1描述了用于加热燃料电池堆12的第一设备10。第一设备10包括可操作地连接到多个负载16的升压转换器14，第一设备10可被实施在车辆13中。升压转换器14包括接触器18、电感器20、二极管22和开关器件24(比如IBGT或其它合适的器件)。在正常的燃料电池启动状态(例如，车辆13在车辆13的外部温度大于5℃时起动)期间，接触器18闭合，使得燃料电池堆12向负载16提供电力。当接触器18闭合时，从燃料电池堆12产生的电流流经接触器18，并绕过电感器20、二极管22和开关器件24。
在冷启动模式(例如，车辆13在外部温度小于5℃时启动)下，接触器18断开，并且燃料电池堆12驱动电感器20、二极管22和开关器件24。在这种情况下，IGBT 24响应于来自燃料电池堆12的电力而产生热。运送冷却剂的管道(未示出)被设置在IGBT 24附近，使得冷却剂从那里被加热。所述管道在燃料电池堆12周围延伸，加热的冷却剂用于加热燃料电池堆12。此外，IGBT 24驱动负载16。应该认识到，负载16包括使车辆能够驾驶和/或操作的任意数量的车辆相关装置。在冷启动模式下，IGBT 24可提供足够的电力以驱动至少部分负载16，使得在燃料电池堆12的冷启动期间车辆启动状态成为可能。以下将对此进行更为详细地讨论。
图2描述用于以高电压实施方式加热燃料电池堆12的第二设备30。第二设备30总体上包括燃料电池堆12、升压转换器14、控制器32和温度传感器33。通常，控制器32可基于燃料电池堆12的特定模式来控制接触器18断开或闭合。例如，如果燃料电池堆12处于正常的燃料电池启动状态，那么控制器32可控制接触器18闭合，从而允许电力绕过升压器14内的IGBT 24和附加电路。在这种情况下，各种负载16，诸如但不限于牵引马达34、空气压缩机(或阴极压缩机)36、可变电压负载38(例如，电动压缩机马达或可在从170V变化到450V的电压下操作的其它合适的装置)、DC/DC转换器40、固定电压负载42(例如，开环控制感应马达)和电池44，可由燃料电池堆12供电。控制器32被配置为在车辆启动期间从温度传感器33接收指示车辆13的外部温度的信号。如果测量的温度超过预定的温度水平，则控制器32确定车辆13处于正常的燃料电池启动状态。在这种情况下，控制器32随后闭合接触器18，以允许燃料电池堆12向负载16供电。
通常，第二设备30可总体上被定义为高电压燃料电池堆实施方式。在这种情况下，燃料电池堆12提供足够的电流以驱动牵引马达34和空气压缩机36。例如，燃料电池堆12可在车辆总线35上提供170V至450V之间的电压的电流，以驱动牵引马达34、空气压缩机36和可变电压负载38。
牵引马达34被构造为使车辆13能够被驱动。空气压缩机36对传送到燃料电池堆12的气流进行增压，以允许燃料电池堆12产生电流。在一个示例中，空气压缩机36可能需要至少170V的电压来运行燃料电池堆的操作。然而，空气压缩机36仍然可以提供足够的增压空气，以允许燃料电池堆12在低于170V的电压下执行车辆启动(例如，在冷启动模式下的部分操作)。以下将对此进行更为详细地讨论。如以上所指出的，燃料电池堆12接收空气和氢气，并将所述空气和氢气电化学地转换成电流或电力。
在正常的燃料电池启动状态(或正常的燃料电池操作)下，燃料电池堆12可产生存储在电池44中的电力。此外，电池44还可产生向车辆13中的各种负载16供电。DC/DC转换器40被布置为升压/降压转换器。例如，DC/DC转换器40可用作降压转换器，并使得从燃料电池堆12提供的电压逐步降低到适合于存储在电池44中的电压，以便由固定电压负载42使用。当DC/DC转换器40被设置为升压转换器时，可使得电池44提供的电压逐步上升，以驱动牵引马达34、空气压缩机36和可变电压负载38。
如果在车辆启动期间，控制器32基于从温度传感器33接收的信息确定温度低于预定的温度值(例如，5℃)，则控制器32确定燃料电池堆12正在经历冷启动(例如，车辆处于冷启动模式)。
如果温度下降到5℃以下，并且车辆13被启动以进行运行(例如，燃料电池堆12经历冷启动)，则控制器32控制接触器18断开，从而允许燃料电池堆12将电力施加到电感器20、二极管22和IGBT 24。IGBT 24响应于产生提供给燃料电池堆12的电流而提供热以加热燃料电池堆12。在这种情况下，IGBT 24提供足够的电力(或足够的电压电平)以激活DC/DC转换器40。例如，DC/DC转换器40可能具有在125V-150V之间的最小操作电压范围。升压转换器14与DC/DC转换器协力来提供足够的电压(例如，至少125V)和电力，以运行负载16(包括牵引马达34和空气压缩机36)，从而在冷启动模式下执行车辆启动。DC/DC转换器40还可升高来自电池44的电压，以驱动牵引马达34和空气压缩机36，从而允许驾驶员能够执行车辆启动。
应该认识到，温度对驾驶员启动车辆的能力起作用。例如，温度越低，那么车辆13执行车辆启动花费的时间越长。例如，如果温度是-15℃，那么可能需要花费大约20秒到30秒来执行车辆启动操作。在另一示例中，如果温度是-40℃，那么可能需要花费大约1.5分钟来执行车辆启动状态。在冷启动模式下，升压转换器14通常提供足够的热以加热燃料电池堆12，并且提供足够的电压以驱动车辆总线35上的装置，以便使驾驶员能够启动车辆。一旦燃料电池堆12的温度达到预定的水平，那么控制器32控制接触器18闭合，从而停用IGBT24。在这一点上，由燃料电池堆12提供增加的电压电平，以驱动车辆总线35上的各种负载16。
图3描述了用于以低电压实施方式加热燃料电池堆12的第三设备50。通常，第三设备50总体上可被定义为低电压燃料电池堆实施方式。第三设备包括第一DC/DC转换器52和第二DC/DC转换器54，第二DC/DC转换器54代替关于图2所述的DC/DC转换器40。此外，第三设备50包括附加车辆总线负载38′(例如，需要来自车辆总线35的更高的电压量的负载，比如牵引马达34)和来自电池44的电池总线负载42′(例如，当与来自车辆总线35的电压进行比较时，需要更低的电压量的负载，诸如空调压缩机马达)。
燃料电池堆12总体上被构造为提供比关于图2所述的燃料电池堆12的电压更低的电压量(例如250V)。正因为这样，虽然接触器18在正常燃料电池操作模式下闭合，但是第一DC/DC转换器52充当升压转换器，并且在车辆总线35上将250V电压升高到350V至400V。这种在车辆总线35上的升高的电压在正常的操作模式下驱动牵引马达34和空气压缩机36。此外，附加车辆总线负载38′还使用350V至400V之间的电压。第二DC/DC转换器54还可用作降压转换器，并将车辆总线35上的电压逐步降低到适合于存储在电池44上并驱动电池总线负载42′的电压。
在冷启动模式下，控制器32控制接触器18断开，从而允许燃料电池堆12将电力施加到电感器20、二极管22和IGBT 24。IGBT 24向燃料电池堆12提供热，以加热燃料电池堆12。在这种情况下，IGBT 24提供足够的电力(或足够的电压电平)，以激活第一DC/DC转换器52。第一DC/DC转换器52可具有在125V-150V之间的最小电压运行范围。在这种情况下，IGBT24向第一DC/DC转换器52提供足以提供最小量的电压的电流，以使得第一DC/DC转换器52能够进行操作。第一DC/DC转换器52随后可升高来自燃料电池堆12的电压，以驱动牵引马达34和空气压缩机36，从而允许驾驶员有执行车辆启动的能力。第二DC/DC转换器54随后可基于车辆总线35上的电压而运行。换言之，第二DC/DC转换器54由车辆总线35上保持不变的电压驱动并且车辆总线35上的电压从第一DC/DC转换器52的输出被提供，同时第一DC/DC转换器52接收至少125V的电压或一些其它最小电压。
图4是描绘与燃料电池堆12有关的各种电学特性(例如，沿y轴)的图示70，所述各种电学特性是来自燃料电池堆12的输出电流(例如，沿x轴)的函数。图示70示出了总体上与燃料电池堆12的端子处的电压对应的第一波形72。图示70还示出了总体上与传送到车辆13的功率对应的第二波形74，所述功率是通过将燃料电池堆12的电压乘以燃料电池堆12的输出电流而计算的。图示70还示出了总体上与向燃料电池堆12内部提供的热量对应的第三波形76。
总体上如在82处所示，第一波形72示出了燃料电池堆12处于开路电压(OCV)(例如，250V)，IGBT处于0％占空比。第二波形74示出了当第一波形72的电压降低时，随着输出电流增加，传送到车辆13的功率增加。在这种情况下，IGBT 24增加其占空比(导致输出电流增加)，并且还使得燃料电池堆12处的电压下降。当IGBT处于100％占空比时，输出电流处于最大值(例如，大约770A)，但是燃料电池堆12处的电压已经下降到0V。
总体上如84处所示，这一状态指示将随着燃料电池堆12变热而增加的燃料电池堆12的最大可用功率(例如，可从燃料电池堆12传送到负载16的最大功率)。在第二波形74中，传送到车辆的功率在大约675A处达到峰值，然后，传送的功率下降。总体上如86处所示，当IGBT 24处于100％占空比时，传送的功率下降到零。图示70上穿过x轴上的675A的垂直线90与当IGBT 24处于特定的X占空比并且传送到车辆13的功率处于其峰值或最大占空比时相对应。对于如第二波形74所展现的传送到车辆13的相同功率，与通过将IGBT 24的占空比从0％调制到X(例如，在垂直线90的左侧操作燃料电池堆12)相比，通过将IGBT 24的占空比从X调制到100％(例如，在垂直线90的右侧操作燃料电池堆12)，燃料电池堆将产生更多的热，如第三波形76所展现。
图5描绘了具有用于以高电压实施方式加热燃料电池堆、燃料电池系统或燃料电池512的第四设备的车辆。第四设备总体上包括燃料电池512、压缩机536、电力转换器或转换器514，其中，电力转换器或转换器514可包括升压转换器、降压转换器、降压-升压转换器，并且可被配置为单向或双向操作。转换器514可被用于在冻结启动或冷启动期间将燃料电池512的电压升高到正常的燃料电池堆操作电压，所述正常的燃料电池堆操作电压可以是车辆正常操作电压。第四设备总体上还包括将燃料电池512与转换器514连接的热通道502，热通道502还可被连接到压缩机536。通常，第四设备由控制器532(未示出)控制，控制器532可基于燃料电池512的特定模式控制接触器518断开或闭合。例如，在冷启动模式下(例如，车辆13在外部温度低于5℃时启动)，接触器518断开，并且燃料电池512驱动电感器520、二极管522、开关器件524和电阻加热元件500，其中，接触器518可以常开接触器或常闭接触器。在这种情况下，当开关器件524闭合时，开关器件524(例如，IGBT、BJT、MOSFET或继电器)通过所述开关器件524响应于从燃料电池512产生的电力而产生热。由所述开关器件524产生的热可以用热通道502被热连接到燃料电池堆512，以帮助加热所述电池堆512。如果所述电池堆是冷的，则期望施加负载，以按照限定的电压从燃料电池堆512汲取电流，使得燃料电池反应的放热特性被用于自加热燃料电池堆512。标准转换器的负载针对自加热可能并不理想，并且增加的负载可期望应用于燃料电池堆512，以保持针对由燃料电池堆512消耗的燃料的有效使用的电流汲取的化学计量，从而产生热。在操作燃料电池堆512期间，产生电流的化学反应是放热反应，这使得燃料电池堆512进行自加热，因此来自燃料电池堆512的电流需求的增加导致增加了在燃料电池堆512内放热产生的热。
电阻加热元件500可由金属、复合材料、陶瓷(PTC)或其它合适的材料构造。电阻加热元件500可以调整大小(即，具有电阻和电流传送能力)以加载燃料电池，使得其降低燃料电池电压。当所述电压降低时，由燃料电池512的每克H2产生更多的热。电阻加热元件500的好处在于，当从燃料电池吸收能量时，电阻加热元件可产生热，产生的热可与燃料电池单元512热连接以提供额外的热。电阻加热元件500可被连接到热通道502，使得产生的热经由热连接从电阻加热元件500传送到燃料电池512。热连接(例如，湿式冷却剂管)可在IGBT 524和电阻加热元件500附近传送流动的冷却剂，使得冷却剂从那里被加热。热通道可在燃料电池512附近延伸，在燃料电池512附近，加热的冷却剂用于加热燃料电池512。此外，转换器514驱动包括牵引或推进马达534、压缩机536、车辆总线负载538的负载。转换器还可驱动可用于升高或降低电压的二次电力转换器540，以与二次电池544和连接到电池544的电池车辆负载542进行接口连接。应该认识到，负载包括任意数量的使车辆能够行使和/或运行的车辆相关装置。在冷启动模式下，可通过调制IGBT 524来降低或升高来自燃料电池512的电压，以提供足够的电力来驱动至少部分负载，从而使得在燃料电池512的冷启动期间的车辆启动状态成为可能。
图6描绘了用于加热燃料电池堆的第五设备。第五设备是转换器600，更为具体地说，是具有加热元件602的升压转换器。例如，加热元件602可以连接在电感器620和二极管622之间(如所示出的)。在这一示例中，可使用开关604选择性地接合该加热元件。当开关604断开时，来自电感器的电流流经产生热的加热元件602，其中，产生的热可被热引导到燃料电池。当开关604闭合时，加热元件602被短接，并且总体上电流不流经加热元件602，使得热不从加热元件602产生。加热元件602被示出连接在电感器620和开关器件606之间，但是也可以连接在开关器件606和二极管622之间，使得当开关器件606闭合时，电感器620连接在转换器的输入端608之间，同时电阻加热元件602和二极管622连接在转换器的输出端610之间。加热元件602还跨越转换器的输入端608布置，使得开关604和加热元件602串联，或者跨越转换器的输出端610布置，使得开关604和加热元件602串联。
图7描绘了用于加热燃料电池堆的第六设备。第六设备是转换器700，更为具体地说，是具有加热元件702的降压转换器。例如，加热元件702可连接在电感器720和转换器输出端710之间(如所示出的)。在这一示例中，可使用开关704选择性地接合该加热元件。当开关704断开时，来自电感器的电流流经产生热的加热元件702，其中，产生的热可被热引导到燃料电池。当开关704闭合时，加热元件702被短接，并且总体上电流不流经加热元件702，使得热不从加热元件702产生。加热元件702被示出连接在电感器720和转换器输出端710之间，但是也可以连接在转换器输入端708和开关器件724之间，使得当开关器件724闭合时，加热元件702、开关器件724和二极管722在转换器的输入端708之间连接。加热元件702还可以跨越转换器的输入端708布置，使得开关704和加热元件702串联(未示出)，或者跨越转换器的输出端710布置，使得开关704和加热元件702串联(未示出)。
图8描绘了用于加热燃料电池堆的第七设备。第七设备是转换器800，更为具体地说，是具有加热元件802的降压-升压转换器。在这一示例中，加热元件802可连接在电感器820和二极管812之间(如所示出的)。这一实施例示出了可使用开关804选择性地接合该加热元件。当开关804断开时，来自电感器的电流流经产生热的加热元件802，其中，产生的热可被引导到燃料电池。当开关804闭合时，加热元件802被短接，并且总体上电流不流经加热元件802，使得热不从加热元件802产生。加热元件802被示出连接在电感器820和开关器件806之间，开关器件806可以是IGBT、BJT、MOSFET、继电器或其它合适的器件，但是加热元件802也可以连接在开关器件824和二极管822之间，使得当开关器件824闭合时，加热元件802和二极管822在转换器的输入端808之间以串联的方式连接。加热元件802还可跨越转换器的输入端808布置，使得开关804和加热元件802串联(未示出)，或者跨越转换器的输出端810布置，使得开关804和加热元件802串联(未示出)。
图9描绘了用于加热燃料电池的第八设备。第八设备是转换器900，更为具体地说，是具有加热元件902的双向降压/升压转换器。在这一示例中，加热元件902可连接在电感器920和二极管922之间(如所示出的)。在这一示例中，可使用开关904选择性地接合该加热元件。当开关904断开时，来自电感器的电流流经加产生热的加热元件902，其中，产生的热可被热引导到燃料电池。当开关904闭合时，加热元件902被短接，并且总体上电流不流经加热元件902，使得热不从加热元件902产生。加热元件902被示出连接在电感器920和开关器件924之间，但是也可以连接在开关器件924和二极管922之间，使得当开关器件924闭合时，电感器连接在转换器的输入端908之间，同时电阻加热元件902和二极管922连接在转换器的输出端910之间。加热元件902还可跨越转换器的输入端908布置，使得开关904和加热元件902串联(未示出)，或者跨越转换器的输出端910布置，使得开关904和加热元件902串联(未示出)。
图10是描绘与燃料电池堆有关的各种电学特征的图示。这示出了针对应用到图5的燃料电池冷启动的功率1002和电压1004相对于时间1006的示例。这一方法不限于图5，并且可以以在此所描述的任何实施例实施。当在低于预定温度的燃料电池温度的情况下启动燃料电池车辆运行时，燃料电池与转换器514断开电连接。然后，高电压电池544可用于驱动低电压车辆负载542、高电压车辆负载538和压缩机536，以向燃料电池512产生空气流，从而开始燃料电池操作。当燃料电池操作开始时，燃料电池功率1008和燃料电池电压1010从初始点1012增加，直到其到达预定的电压1014(这可能是最大的燃料电池开路电压或更低的电压电平)为止。当达到预定的开路电压1014时，负载被施加到燃料电池512(例如，燃料电池512被电连接到转换器514和电阻加热元件500)。此时，燃料电池电压1010下降到低电压操作点1016(例如，示例的低电压将是100-150伏的操作电压，燃料电池具有250-400伏正常操作电压)。施加到燃料电池的负载可包括电阻加热元件500、转换器514、空气压缩机536、牵引马达534、低电压车辆负载542、高电压车辆负载538和高电压电池544。燃料电池操作将被进行平衡，使得针对燃料电池操作的化学计量被保持，同时控制负载以保持电压和功率，从而帮助燃料电池随同从转换器514和加热元件500到燃料电池的热连接的热一起进行自加热。在这一操作期间，随着燃料电池变热，燃料电池功率1008将继续增加。当所述电池堆功率达到与1018的时间对应的阈值功率水平时，燃料电池操作电压从1018处的低电压电平增加到1020处的燃料电池正常操作电压。此时，车辆能够启动，并且可以从燃料电池512和高电压电池544运行。
虽然以上描述了示例性实施例，但这些实施例并不意在描述本发明的所有可能形式。相反，说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种改变。此外，可组合各种实现的实施例的特征以形成本发明进一步的实施例。

Claims (8)

1.一种车辆，包括：
燃料电池堆，用于驱动所述车辆；
电力转换器，被连接到所述燃料电池堆，其中，所述电力转换器包括电阻加热元件；
热系统，被配置为将热从所述电力转换器传递到所述燃料电池堆；
控制器，被配置为：
响应于电池堆温度低于阈值而操作燃料电池堆，以产生与低于正常车辆操作电压的燃料电池堆电压对应的电流，并且操作所述电力转换器(i)在所述正常车辆操作电压下产生电力转换器输出电压以及(ii)从所述燃料电池堆汲取所述电流，以增加在所述燃料电池堆内产生的热并将所述电阻加热元件在所述电力转换器中产生的热传递到所述燃料电池堆，从而使得将所述燃料电池堆加热到所述阈值的时间最小化，并且
响应于电池堆温度达到所述阈值而使得所述电流绕过所述电阻加热元件，并且将燃料电池堆电压升高到牵引马达的操作电压，以使所述车辆能够在加热所述燃料电池堆的同时启动。
2.如权利要求1所述的车辆，其中，所述电力转换器还包括：电力开关。
3.如权利要求2所述的车辆，其中，所述电阻加热元件能够被选择性地接合。
4.如权利要求2所述的车辆，其中，操作所述电力转换器包括：按照大于最大功率占空比的占空比，调制所述电力开关。
5.如权利要求2所述的车辆，其中，操作所述电力转换器包括：按照占空比范围内的占空比，调制所述电力开关，使得所述占空比的进一步增加导致所述燃料电池堆的功率输出的减少，以加热所述燃料电池堆。
6.如权利要求1所述的车辆，其中，所述电力转换器为升压转换器、降压转换器或降压-升压转换器。
7.如权利要求6所述的车辆，其中，所述转换器为双向转换器。
8.一种用于控制燃料电池堆的方法，包括：
响应于所述燃料电池堆的温度低于预定温度而操作所述燃料电池堆，以产生与低于正常车辆操作电压的燃料电池堆电压对应的电流；
接合电连接到所述燃料电池堆的电力转换器内的电阻加热元件；
操作所述电力转换器(i)在所述正常车辆操作电压下产生电力转换器输出电压以及(ii)从所述燃料电池堆汲取所述电流，以增加在所述燃料电池堆内产生的热并将所述电阻加热元件在所述电力转换器中产生的热传递到所述燃料电池堆，从而使得将所述燃料电池堆加热到预定温度的时间最小化；
响应于所述燃料电池堆的温度达到预定温度而使得所述电阻加热元件脱离接合，并且将燃料电池堆电压升高到车辆牵引马达的操作电压，以使车辆能够在加热所述燃料电池堆的同时启动。
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