CN110641282A - 在紧急情况下用于耗尽剩余电力的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

公开的是在紧急情况下用于耗尽剩余电力的燃料电池系统。燃料电池系统包括：堆，接收包括氢气和/或氧气的反应气体以产生电力；泵，供应反应气体至堆；放电电路，包括电阻器和第一继电器，电阻器释放堆中的剩余电力，第一继电器使电阻器电连接至堆或者使电阻器从堆电断开；发电机，连接至泵的旋转轴以将泵的旋转轴的驱动能转换为电能；以及第一控制器，控制第一继电器。第一控制器从发电机接收电能并且控制第一继电器电连接堆与电阻器，从而在紧急情况下耗尽堆中的剩余电力。

Description

在紧急情况下用于耗尽剩余电力的燃料电池系统
相关申请的交叉引证
本申请基于并且要求于2018年6月8日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2018-0066293号的优先权的权益，通过引证将其全部内容结合于本文中。
技术领域
本公开内容涉及在紧急情况下用于耗尽剩余电力的燃料电池系统。
背景技术
氢燃料电池车辆是环保车辆中的一种并且包括通过氢气和氧气之间的电化学反应产生电力的燃料电池系统。当燃料电池车辆碰撞时，由于燃料电池堆中剩余的高电压可发生诸如触电或火灾等二次事故。
本部分的公开内容是提供本发明的背景。申请人指出，该部分可包含本申请之前可用的信息。然而，提供该部分，申请人并不承认该部分中包含的任何信息构成现有技术。
发明内容
本发明的一个方面提供了能够防止车辆中的人遭受由于燃料电池堆中的剩余电力导致的二次事故的伤害的燃料电池系统。
通过本发明构思要解决的技术问题不局限于说明书中公开的问题，并且本发明所属领域技术人员将从以下描述中清晰地理解本文中未提到的任何其他技术问题。
根据本发明的一方面，在紧急情况下停止产生电力并且耗尽剩余电力的燃料电池系统，包括：至少一个堆，接收包括氢气和/或氧气的反应气体以产生电力；泵，将反应气体供应至堆；放电电路，包括电阻器和第一继电器，所述电阻器释放堆中的剩余电力，所述第一继电器使电阻器电连接至堆或者使电阻器从堆电断开；发电机，连接至泵的旋转轴以将泵的旋转轴的驱动能转换为电能；以及第一控制器，控制第一继电器。第一控制器电连接至发电机以接收通过泵的旋转轴的驱动产生的电力，并且控制第一继电器以电连接堆与电阻器，从而在紧急情况下耗尽堆中的剩余电力。
根据本发明的另一方面，具有堆的车辆的燃料电池系统包括：放电电路，包括电阻器和第一继电器，电阻器释放堆中的电力，第一继电器使电阻器电连接至堆或使电阻器从堆电断开；第一控制器，操作第一继电器；以及电源，将电力供应至第一控制器。电源包括主电源和应急电源，主电源将电力供应至第一控制器，当主电源出故障时应急电源将电力供应至第一控制器，并且第一控制器控制第一继电器使得在紧急情况下堆中的剩余电力通过放电电路的电阻器被释放。
根据本发明的又一方面，燃料电池系统可使用发电机控制继电器以将应急电力供应至子控制器，发电机连接至将气体供应至燃料电池堆的泵的旋转轴。子控制器控制另外的继电器连接堆和电力放电电路，使得在其中主电源(例如，电池)或电源线损坏或主控制器出故障的情况下，对于耗尽剩余电能或电力的电路，迅速释放堆中的剩余电能或电力。子控制器可在紧急情况期间接收应急电力并且可将控制信号连续传输至另外的继电器。在实施方式中，可通过常开式继电器实现另外的继电器使堆电连接至放电电路或使堆从放电电路电断开，而不是通过昂贵的常闭式继电器实现，并且因此可以减少用于燃料电池系统的成本。
此外，通过发电机的电力产生迅速减小泵的RPM(revolutions per minute)，并且因此阻断反应气体供应至堆以抑制在堆中进一步产生电力。即，可在紧急情况下防止对车辆中的人发生二次事故。
附图说明
从以下结合附图的详细描述中，本发明的上述和其他方面、特征和优点将更加显而易见：
图1是示出了根据实施方式的车辆的燃料电池系统的框图；以及
图2是示出了根据实施方式的在紧急情况下的车辆的燃料电池系统的操作的框图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施方式。在附图中，相同附图标记将贯穿使用以指定相同或等同元件。此外，为了不使得本发明的主旨不必要的不清楚，众所周知的特征或功能的详细描述将被省略。
在描述本发明的实施方式的元件时，在本文中可使用术语第1、第2、第一、第二、A、B、(a)、(b)等。这些术语仅用于区分一个元件与另一元件，但是不管对应元件的顺序或优先级如何，都不限制对应元件。除非另有限定，否则本文中使用的包括技术术语或科学术语的所有术语具有与本发明所属领域的技术人员通常所理解的含义相同的含义。如在常用词典中限定的这些术语应被解释为具有与相关领域中的上下文含义相等的含义，并且不应被解释为具有理想或过度正式的含义，除非在本申请中明确限定如此。
为了避免可能由燃料电池车辆的碰撞所引起的二次事故，可阻断氢气和氧气供应至燃料电池堆。然而，尽管阻断氢气和氧气的供应，但是因为高压电流存在于燃料电池堆内部，因此仍然存在二次事故的可能性。
图1是示出了根据实施方式的燃料电池系统1的框图。
根据本发明的实施方式的燃料电池系统1可在发生紧急情况(例如，车辆碰撞)时迅速阻断供应至堆(stack)10的反应气体，并且还可以迅速耗尽(exhaust)堆10中的剩余电力，因此防止或抑制发生二次事故。
参考图1，在实施方式中，燃料电池系统1可包括车辆驱动器系统90、堆10、气体供应50、放电电路20、第一控制器32、第二控制器34和应急电源40。堆10产生电力并将产生的电力供应至车辆驱动器系统90。气体供应50将反应气体供应至堆10。放电电路20释放堆10中的剩余电力。第一控制器32控制放电电路20和堆10之间的电连接或电断开。第二控制器34控制第一控制器32。在实施方式中，第二控制器34可以是车辆的控制单元。主电源60将电力供应至第一控制器32和第二控制器34。应急电源40在紧急情况下将电力供应至第一控制器32。反应气体可包括氢气和/或氧气。
根据实施方式，堆10可从气体供应50接收包括氢气和/或氧气的反应气体并且产生电力。堆10可包括接收氢气的第一电极、接收氧气的第二电极、以及布置在第一电极和第二电极之间的膜电极组件。氢气可在膜电极组件中与氧气反应以产生电力。产生的电力可供应至车辆驱动器系统90。车辆驱动器系统90可包括至少一个电动机。电动机可以由从燃料电池系统供应至此的电力驱动。
根据实施方式，气体供应50可包括用于供应包括氢气和/或氧气的反应气体的至少一个泵52。例如，泵52可包括空气压缩器。发电机42可连接至泵52的旋转轴53。当旋转轴53耦接至发电机42时，泵52的旋转轴53的旋转可通过发电机42转换为电能或电力。通过发电机42生成的电力可在紧急情况下供应至第一控制器32。在紧急情况下，发电机42连接至泵52的旋转轴53并且在生成电力的同时制动轴53的旋转。因此，泵52的旋转轴53的旋转可逐渐减速，并且因此，可停止泵52的驱动或运转。在这种情况下，反应气体可不再供应至堆10，并且堆10不生成电力。
根据实施方式，放电电路20可连接至堆10的电力输出线。放电电路20可包括至少一个电阻器22以及电连接或电断开放电电路20的开关。例如，开关可包括一个或多个继电器。在一个实施方式中，开关包括第一继电器24。当第一继电器24处于闭合状态(closedstate)时，通过堆10产生的电力或保持在堆10中的电力可通过电阻器22被释放。当第一继电器24处于打开状态(open state)时，通过堆10产生的电力可供应至车辆驱动器90。根据各种实施方式，第一继电器24可以是常开式继电器。常开式继电器可表示当不存在控制信号时保持打开状态的继电器。当图1中示出的控制信号35没有施加到第一继电器24时，第一继电器24可保持打开状态并且当控制信号35施加到第一继电器24时可保持闭合状态。
根据实施方式，第一控制器32可操作包括在放电电路20中的第一继电器24。例如，第一控制器32可将第一控制信号35施加到第一继电器24。第一控制器32可使第一继电器24打开以使得放电电路20从堆10断开。第一控制器32可使第一继电器24闭合以使得放电电路20连接至堆10。同时，第一控制器32可以从第二控制器34接收用于第一继电器24的控制请求31。第一控制器32可将关于第一继电器24的状态的反馈响应33提供至第二控制器34。
在实施方式中，第一控制器32可包括至少一个微控制器，然而，不应该局限于微控制器。例如，第一控制器32可仅通过没有有源元件(active element)的无源元件实现。作为另一方式，第一控制器32可仅通过没有微控制器的逻辑电路实现。当在紧急情况下(例如，车辆碰撞)控制第一控制器32的第二控制器34损坏或将电力供应至第二控制器34的主电源60损坏时，这允许第一控制器32在没有从第二控制器34接收到控制指令的情况下操作第一继电器24，迅速释放堆10中的剩余电力。
在实施方式中，在车辆的正常操作状态下，第一控制器32可从应急电源40和主电源60接收电力。当车辆驱动时，第一控制器32可从主电源60接收电力。当车辆在紧急情况下时，第一控制器32可从应急电源40接收电力。因此，当在紧急情况下(例如，车辆碰撞)主电源60损坏时，第一控制器32可以使用应急电源40控制或操作第一继电器24。
根据实施方式，第一控制器32可确定紧急情况，例如，车辆碰撞。例如，当第一控制器32在预定时间段没有从第二控制器34接收到控制第一继电器24的控制请求时，第一控制器32可确定发生紧急情况。紧急情况可包括第二控制器34出故障或者将电力供应至第二控制器34的主电源60出故障的情况。
根据实施方式，第二控制器34可电连接至第一控制器32。第二控制器34可将控制请求31传输至第一控制器32以操作第一继电器24。此外，第二控制器34可从第一控制器32接收第一继电器24的状态的反馈响应33。第二控制器34可从主电源60接收电力。
在实施方式中，第二控制器34可控制第二继电器70，使得当车辆不是在紧急情况下或者在车辆的正常操作状态下时应急电源40和第一控制器32彼此电断开。在紧急情况下当主电源60不能将电力供应至第一控制器32时，第二控制器34可控制第二继电器70，使得应急电源40和第一控制器32彼此电连接。例如，当第二控制器确定车辆处于紧急状态下时，第二控制器34可将第二控制信号37传输至第二继电器70。
根据实施方式，主电源60可将电力供应至第一控制器32和第二控制器34。在其中车辆正常驱动的正常状态期间，主电源60可将电力供应至第一控制器32和第二控制器34。在实施方式中，在车辆的正常操作状态下，应急电源不连接至第一控制器32。
根据实施方式，在紧急情况(例如，车辆碰撞)下，应急电源40可将电力供应至第一控制器32。应急电源40可包括连接至气体供应50的泵52的旋转轴53的发电机42。发电机42可将泵52的旋转轴53的机械能转换为电能。在紧急状态下，应急电源40可将电能供应至第一控制器32。为此，应急电源40和第一控制器32可通过第二继电器70彼此连接。
在实施方式中，当第二继电器70闭合时，应急电源40和第一控制器32可彼此电连接。应急电源40可通过第二继电器70电连接至第一控制器32。在紧急情况下，应急电源40的发电机可连接至泵52的旋转轴53并且在泵52的旋转轴53旋转的同时产生电力。生成的电力经由继电器70传输至第一控制器32。另一方面，在实施方式中，在正常状态期间，应急电源40的发电机不连接至旋转轴53，并且因此，不产生电力。
根据实施方式，第二继电器70可使应急电源40连接至第一控制器32。在实施方式中，第二继电器70可在紧急情况下闭合，并且因此第一控制器32可连接至应急电源40。根据各种实施方式，第二继电器70可以是常闭式继电器。常闭式继电器可表示当不存在控制信号时继电器保持闭合状态并且当控制信号施加至此时保持打开状态。当图1中示出的第二控制信号37不施加至第二继电器70时，第二继电器70可保持闭合状态。在实施方式中，在车辆的正常操作状态期间第二继电器70可由第二控制器34控制，并且当第二控制信号37施加至第二继电器70时可以保持打开状态。
图2是示出了根据实施方式的紧急情况下的燃料电池系统的操作的框图。
在本描述中，术语“紧急情况”可包括燃料电池系统1的一些部分出故障的情况(例如通过车辆的碰撞)。例如，图2中示出的部分“A”或在部分“A”中包括的一些部件可能会在紧急情况下出故障。详细地，当主电源60损坏时，电力可能不供应至第二控制器34。
根据实施方式，当车辆处于紧急情况下时(诸如车辆碰撞)，由于保持在堆10中的高压电力可能会对车辆中的人发生二次事故(诸如触电等)。为了防止此类事件，可释放全部保持在堆10中的电力。此外，需要阻断包括氢气和/或氧气的反应气体流到堆10中以便进一步停止电力产生。
根据实施方式，当车辆处于紧急情况下时，第二控制器34可能会损坏或出故障。还可以阻断电力供应至第二控制器34。在紧急状态期间，因为第二控制器34不从主电源接收电力，因此第二控制器34可以不再将控制信号传输至第二继电器70。在这种情况下，常闭式第二继电器70可保持闭合状态。因此，第一控制器32可从应急电源40接收电力并且控制继电器24的操作。
同时，在紧急状态下，第一控制器32可使常开式的第一继电器24闭合，并且可将放电电路20电连接至堆10。因此，保持在堆10中的电力可通过放电电路20的电阻器22被释放。
应急电源40的发电机42可产生供应至第一控制器32的电力。发电机42可将泵52的旋转轴53的机械能转换为电能，并且因此，可逐渐停止气体供应50的泵52的操作。当泵52的操作停止时，可以阻断包括氢气且供应至堆10的反应气体。
因此，在紧急情况下尽管主电源60或第二控制器34出故障，但是可将泵52的机械能转换为电能以停止氢气和/或氧气供应至堆10，并且放电电路20可连接至堆10以释放堆10中的剩余电力。因此，在紧急情况(例如，车辆碰撞)下可以防止对车辆中的人发生触电或火灾事故。
可以通过具有至少一个处理器、至少一个存储器和至少一个通信接口的计算装置实现或执行结合本文中公开的实施方式描述的逻辑块、模块或单元。结合本文中公开的实施方式描述的方法、处理或算法的元件可直接在硬件中、在由至少一个处理器执行的软件模块中或者这两者的组合中来实现。用于实现结合本文中公开的实施方式描述的方法、处理或算法的计算机可执行指令可以存储在非易失性计算机可读存储介质中。
尽管已经参考实施方式对本发明进行了描述，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可做出各种变化和修改。因此，本发明的实施方式不是限制性的，而是说明性的，并且本发明的精神和范围不局限于此。应该通过以下权利要求书解释本发明的精神和范围，并且应该理解的是，等同于本发明的全部技术构思都包含在本发明的精神和范围中。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，在紧急情况下被配置为停止在所述燃料电池系统中产生电力并且还被配置为耗尽所述燃料电池系统中的剩余电力，所述系统包括：
至少一个堆，被配置为接收包括氢气和/或氧气的反应气体以产生电力；
泵，被配置为将所述反应气体供应至所述堆；
放电电路，包括电阻器和继电器，所述电阻器被配置为释放所述堆中的剩余电力，所述继电器被配置为使所述电阻器电连接至所述堆或者使所述电阻器从所述堆电断开；
发电机，连接至所述泵的旋转轴，以将所述泵的所述旋转轴的旋转转换为电力；以及
控制器，被配置为控制所述继电器，
其中，在所述紧急情况下，所述控制器电连接至所述发电机以接收通过所述泵的所述旋转轴的旋转产生的电力，所述控制器被配置为控制所述继电器电连接所述堆和所述电阻器，从而耗尽所述堆中的剩余电力。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述泵被配置为：当所述发电机与所述控制器电连接时，减少供应至所述堆的所述反应气体的量。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述继电器包括常开式继电器，所述常开式继电器被配置为当不存在来自所述控制器的控制信号时保持打开状态。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器称为第一控制器并且所述继电器称为第一继电器，所述系统还包括：
第二继电器，被配置为使所述发电机电连接至所述第一控制器或者使所述发电机从所述第一控制器电断开；以及
第二控制器，被配置为控制所述第二继电器，其中，所述第二控制器被配置为在除了所述紧急情况之外的情况下控制所述第二继电器，使所述发电机从所述第一控制器电断开。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第二继电器包括常闭式继电器，所述常闭式继电器被配置为当不存在来自所述第二控制器的控制信号时保持闭合状态。
6.一种车辆的燃料电池系统，包含堆，所述系统包括：
放电电路，包括电阻器和继电器，所述电阻器被配置为释放所述堆中的电力，所述继电器被配置为使所述电阻器电连接至所述堆或者使所述电阻器从所述堆电断开；
控制器，被配置为操作所述继电器；
主电源，被配置为将电力供应至所述控制器；以及
应急电源，被配置为当所述主电源出故障时将所述电力供应至所述控制器，并且所述控制器被配置为控制继电器使得在紧急情况下所述堆中的剩余电力通过所述放电电路的所述电阻器被释放。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述继电器包括常开式继电器。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述控制器称为第一控制器并且所述继电器称为第一继电器，所述系统还包括：
第二控制器，被配置为控制所述第一控制器并且控制从所述主电源至所述第一控制器的电力供应；以及
第二继电器，被配置为使所述应急电源电连接至所述第一控制器或者使所述应急电源从所述第一控制器电断开，其中，所述第二继电器包括常闭式继电器，以当所述主电源出故障时使所述第一控制器电连接至所述应急电源。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述第一控制器和所述第二控制器彼此电连接，并且所述第一控制器被配置为响应于来自所述第二控制器的控制信号提供指示所述第一继电器的状态的信息至所述第二控制器。
10.根据权利要求6所述的系统，还包括泵，所述泵被配置为将反应气体供应至所述堆，其中，所述应急电源包括发电机，所述发电机连接至所述泵的旋转轴，以将所述泵的所述旋转轴的旋转转换为电力以用于将电力供应至所述控制器。
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