CN114335621A - 用于对燃料电池堆的电池进行放电的控制系统 - Google Patents

用于对燃料电池堆的电池进行放电的控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种旨在适应燃料电池堆(PAC)的控制系统，所述燃料电池堆包括串联连接在第一端子(B1)与第二端子(B2)之间的多个电池(Cell_i)，所述系统包括中央控制单元(UC)和包括多个单独的电气旁通单元(UP_j)的电子旁通设备(D)，每个电气旁通单元并联连接到所述燃料电池堆的至少一个单独的电池，以控制其在所述燃料电池堆启动和关闭时的放电并由此避免产生反向电势和限制残余电势的存在。

Description

用于对燃料电池堆的电池进行放电的控制系统
技术领域
本发明涉及一种旨在连接到燃料电池堆的端子以对其电池放电的控制系统。
背景技术
燃料电池堆是串联和/或并联连接的多个电池的堆叠。
电池是其中通过还原燃料(例如二氢)在电极(阳极)上的氧化与在另一电极(阴极)上的氧化剂(例如来自空气的二氧)的还原相结合而发电的发电器。氢的氧化反应被一般是铂的催化剂加速。尽管其它组合是可行的，最经常研究和使用的电池堆是二氢-二氧或二氢-空气堆叠(这尤其通过地球上丰富的氢来源和可生产二氢的容易来解释)。
每个电池由一对称作双极板的板和插入在两个板之间的膜构成。电池被堆叠以形成具有所需容量的燃料电池堆。
对于正常运作的堆叠，一对双极板的电势通常为0.6V至1.2V。
在堆启动时，已知到达阴极的氢流不足以提供作为输出所需的电压。在没有待氧化的氢的情况下，短时间地生成相反极性的电势，该电势可能会达到-1.2V，这伴随有反向电流的出现，该反向电流则可能会损害堆叠的某些组件，尤其是其电极。
在堆叠关闭期间观察到类似问题。所有电势则倾向于0V，但经常观察到在某些层上持续有正或负的残余电势。这些残余电势与尚未完全排空的气体的存在有关，可能会在中/长期上损害堆叠，例如通过氧化存在于两个双极板之间的膜上的一种或多种材料(例如：铂的含碳载体)。
这些问题已经在专利US7927752B2中说明并在该专利中通过使用机械设备以使得堆叠的每个电池独立地短路来解决。在该文献中还提出基于电子组件的解决方案。然而，该解决方案具有如下文所列出的多个缺陷：
-无法保证所使用的晶体管的耐压和良好控制。相同的控制电压被施加到所有晶体管的栅极，尽管其中某些可能会出现可能会超过200V的电压差。
-它不允许在电池放电期间控制电流。
-它要求特定连接以实现堆叠中每个电池的旁通，这使得架构更加复杂。
更一般性地，在该现有技术文献中提出的解决方案不是完美的，不具有有效和安全地对燃料电池堆的电池放电所需的所有功能。
专利申请FR2951583A1、US2004/101724A1和DE102013201995A1每个描述了用于关闭燃料电池堆的设备。
因此，本发明的目的在于提供一种控制系统，其旨在连接到燃料电池堆以允许电池堆的电池放电，该系统实施起来简单，易于安装，能够提供燃料电池堆的电池的有效放电所需的所有功能，并具有尺寸完美的架构。
发明内容
该目的通过一种旨在适应燃料电池堆的控制系统来实现，所述燃料电池堆包括串联连接在第一端子与第二端子之间的多个电池，所述系统包括：
-中央控制单元，其包括至少一个输出并配置为向所述输出施加控制电势，
-旨在连接到燃料电池堆的第一端子和参考电势的第一主连接端子，和旨在连接到燃料电池堆的第二端子的第二主连接端子，
-电子旁通设备，其包括：
οM个单独的电气旁通单元，其中M大于或等于2，每个旁通单元由阶j限定，其中j为1至M，每个电气旁通单元包括第一连接端子和第二连接端子以能够并联连接到所述燃料电池堆的至少一个单独的电池，和输入控制端子，
ο对于从1至M-1的j，阶j的电气旁通单元的第二连接端子连接到阶j+1的电气旁通单元的第一连接端子，
ο阶1的电气旁通单元的第一连接端子连接到第一主连接端子，
ο阶M的电气旁通单元的第二连接端子连接到第二主连接端子，
ο每个电气旁通单元配置为控制其第一连接端子与其第二连接端子之间的连接或断开连接，
-控制电路，其包括连接到中央控制单元的输出以接收所述控制电势的第一输入端子和连接到第一主连接端子的第二输入端子，
-所述控制电路多个输出端子，每个输出端子连接到单独的电气旁通单元的输入控制端子，
-所述控制电路配置为将作为输入接收到的控制电势分成多个单独驱动电势，每个生成的驱动电势旨在施加到控制电路的一个单独的输出端子。
根据一个特征，控制电路包括桥式分压器，其包括串联连接的至少M个电阻器，当控制电势被施加到中央控制单元的输出时，在其之间限定所述驱动电势。
根据另一特征，每个电气旁通单元包括可驱动耗尽型晶体管。
根据另一特征，每个电气旁通单元包括选自以下的可驱动晶体管：
-耗尽型p-沟道MOSFET，
-增强型n-沟道MOSFET，
-耗尽型n-沟道MOSFET，
-增强型p-沟道MOSFET。
根据另一特征，每个电气旁通单元包括连接到其可驱动晶体管的漏极或源极的放电电阻器。
根据另一特征，每个电气旁通单元包括连接在其可驱动晶体管的栅极和源极之间的电阻器。
根据另一特征，所述系统包括连接在参考电势与中央控制单元的输出或阶M的电气旁通单元的晶体管的栅极之间的下拉电阻器。
根据另一具体特征：
-中央控制单元包括用于监测燃料电池堆的每个电池的端子两端的电压的组件，
-所述系统包括旨在将所述监测组件连接到燃料电池堆的每个电池的端子的两个电气测量链路，
-旨在与燃料电池堆的电池相关联的每个电气旁通单元连接在该电池的两个电气测量链路之间。
根据另一特征，中央控制单元包括连接到监测组件的可驱动输出的控制元件。
根据另一特征，控制元件包括第一晶体管和第二晶体管，其中第一晶体管的栅极连接到监测组件的可驱动输出以接收控制信号，第二晶体管的栅极连接到第一晶体管的漏极，该第二晶体管旨在控制控制电势的传递。
本发明还涉及一种包括燃料电池堆的电气设备，该燃料电池堆包括多个电池，所述设备包括如上所述的控制系统，该系统的每个电气旁通单元并联连接到燃料电池堆的至少一个单独的电池。
根据一个特征，每个电气旁通单元与用于测量燃料电池堆的每个电池的端子两端的电压的链路并联连接。
在下文中将看到，本发明的解决方案由此允许测量燃料电池堆的电池的端子两端的电压所需的接线与用于连接系统的每个旁通单元的接线融合。该系统可由此布置在简单的控制板上，并容易位于远离供电部分之处。
附图说明
在以下参照附图提供的详细说明中，其它特征和优点将变得显而易见，在附图中：
-图1示意性地示出燃料电池堆的电池并示出其运作原理。
-图2示意性地示出由如图1的电池那样的多个电池的堆叠构成的燃料电池堆。
-图3示意性地示出连接到燃料电池堆的本发明的控制系统的架构。
-图4示出了在本发明的控制系统中使用的中央控制单元的实施例的一个示例。
-图5A、5B和5C示出可在本发明的系统的每个电气旁通单元中使用的晶体管的三个示例，并针对每个示例示出它们的运作原理。
-图6A、6B和6C示出本发明的控制系统的三个变型实施例。
-图7示出应用于图6A的架构的本发明的控制系统的一个变型实施例。
-图8示出包括燃料电池堆和本发明的系统的电气设备的架构的一个示例。
具体实施方式
参照图1，如已知的，在堆叠的燃料电池组件中使用的电池通常包括：
-双极板(未在图1中示出)：其目的在于允许反应物被引导至扩散层(见下文)。它们因此必须是不可渗透的，以避免任何气体泄露到外部和相邻隔室。它们还必须起到为外部电路或在多个电池的堆叠的情况中对于相邻电池发挥集电器的作用并允许去除反应生成的热量。最后，它们还必须机械地保持电池。它们大多数时候由石墨、复合材料或金属(不锈钢、铝、钛或镍)制成。
-扩散层10a、10b：它们的缩写为GDL，即气体扩散层。它们必须满足多个目的：它们必须对于气体是可渗透的，因此是多孔的以将反应物从沟道输送到电极，并且它们还传导电子和热量。通常，它们由纸状或编织在一起的纤维制成。
-膜-电极组件(MEA)：该组件包括允许二氢(H2)分子分解成电子和质子的称作阳极A的有源第一层。所生成的电子则被吸入扩散层10a，而质子穿过膜11以与由外部电路提供的其它电子和氧O2起反应。这三种元素在第二有源层——阴极C——中组合以形成水H2O。由此，MEA的一个作用在于催化在电极处发生的反应，并且其膜必须是良好的离子导体。在MEA设计中使用的主要材料首先是形成取决于应用，厚度为10至100μm的薄膜的磺化全氟聚合物，例如Nafion(注册商标)。电极主要由作为催化剂的铂、作为催化剂载体的碳和促进电极内的质子渗透的聚合物构成。
图2示出位于两个双极板P1、P2之间的如图1的电池那样的多个电池的堆叠，其形成燃料电池堆，该堆叠标记为PAC并旨在给电负载1供电。作为示例，该燃料电池堆是PEMFC类型的(PEMFC是聚合物交换膜燃料电池的缩写)。它与氢一起工作，并将氢(H2)与氧(O2)之间的反应释放的化学能转换成电能(电子e-)，由此形成水分子(H2O)。电池串联连接在第一端子B1(其阳极)与第二端子B2(其阴极)之间。堆叠可包括N个电池，其中N大于或等于2。每个电池可以用阶i标记，其中i为1至N。在图2中，燃料电池堆包括串联连接的三个电池Cell_1、Cell_2、Cell_3。
对于这样的多个电池的堆叠，本发明旨在能够使电池堆的每个电池或电池组(产生旁通)，尤其是在电池堆启动时和关闭时，以避免产生反向电势和限制残余电势的存在。
本发明采用旨在连接到燃料电池堆PAC的控制系统的形式。
该系统尤其具有能够通过重新使用已经存在的组件来监测燃料电池堆PAC而无需大的修改而直接集成到电子控制板中的优点
参照图3，该系统主要包括：
-中央控制单元UC；
-包括多个电气旁通单元的电子旁通设备D；
-用于控制所述电气旁通设备D的控制电路CC。
中央控制单元UC包括控制输出S1并配置为给该输出S1提供控制电势Vp。
参照图4，非限制性地，中央控制单元UC可包括用于监测存在于燃料电池堆PAC的每个电池Cell_i的端子两端的电压的电子组件2。该监测组件2可包括可由软件驱动的至少一个输出S2。该组件2可旨在传送控制信号V2，以控制中央控制单元UC的控制输出S1。
该监测组件2可以已经存在并已经用于监测燃料电池堆PAC、尤其是用于收集从电池堆的电池的端子两端的电压的测量产生的数据。为了收集电压测量值，两个测量链路(电线和/或电气轨道等)连接到电池堆PAC的每个电池的端子。监测组件2由此包括多个测量输入，测量链路连接到这些多个测量输入，以测量电池堆的每个电池的端子两端的电压。
根据本发明的一个特定方面，本发明的系统适合于该监测组件的配置，并且特别适合于该组件上可用的可驱动输出的数量和因此其控制能力。
作为示例，监测组件2可以是Analog Devices-Linear Technology制造的编号的LTC6806的组件。该组件包括36个测量输入但仅具有6个可驱动输出(称作GPIO，即“generalpurpose input outputs(通用输入输出)”的缩写)，这阻止其在燃料电池堆的启动/关闭期间有效地保护燃料电池堆，和/或尤其是在该启动/关闭期间使燃料电池堆的所有电池放电。具体地说，在没有定制系统的情况下，它无法仅用6个可驱动输出来驱动36个晶体管或接触器。
中央控制单元UC可包括电压源V3，这允许控制电势Vp根据监测组件2的命令被传递。
中央控制单元UC可包括控制元件3，其由监测组件2驱动，以控制电压源V3传递的控制电势Vp的传递。
非限制性地，控制元件3可由两个晶体管构成，例如：
-n-沟道增强型晶体管M1，其栅极连接到监测组件2的输出以接收控制信号V2，和
-p-沟道第二增强型晶体管M2，其栅极连接到第一晶体管M1的漏极，该第二晶体管M2旨在控制控制电势Vp的传递。
电阻器R10、R11分别连接在晶体管M1和M2的栅极与源极之间。
中央控制单元UC可包括集成在监测组件2中或通过通信总线连接到监测组件2的处理装置。这些处理装置旨在将命令发送到监测组件2，以驱动控制元件3并由此控制控制电势Vp的传递。
参照图3，该系统还包括：
-旨在连接到燃料电池堆PAC的第一端子B1和参考电势(大地)的第一主连接端子Y1，和旨在连接到燃料电池堆的第二端子B2的第二主连接端子Y2。
如上文所指出的，该系统包括电子旁通设备D，其包括多个电气旁通单元或放电单元UP_j。旁通单元UP_j允许并联地产生到燃料电池堆的至少一个电池Cell_j的放电路径。
非限制性地，电气旁通单元UP_j包括可驱动晶体管。将在下文中看见，晶体管可采取各种配置。
电子旁通设备D可包括M个电气旁通单元，其中M大于或等于2。每个旁通单元UP_j可用阶j标记，其中j为从1至M。
要指出的是，旁通单元UP_j的数量M有利地等于电池的数量N，这允许电池堆的每个电池被单独地短路。然而，可理解的是，数量M可以小于数量N，至少一个电气旁通单元则旨在使得燃料电池堆的多个电池短路。
根据本发明的一个具体方面，每个旁通单元UP_j可直接连接在用于测量电压的两个链路之间：由此，再利用从足迹和机械强度方面来说经常难以生产的已经存在的用于连接到电池堆以测量的系统。旁通单元可由此直接在燃料电池堆PAC的控制板上生产。燃料电池堆的该控制板可由此容易地位于远离燃料电池堆之处，并且“控制”部分与“供电”部分分离。图8示出该架构。
图3用虚线示出对于电池堆的第一电池Cell_1，允许测量该第一电池的端子两端的电压U_cell_1的测量链路，并示出与这两个测量链路并联的其旁通单元UP_1的连接。
要指出的是，使用测量链路来进行电压测量和允许连接旁通单元两者的原理可能需要相应地调整系统的运行阶段。尤其必须使得测量阶段与放电阶段(电池旁通期间)交替。可使得监测组件交替其所谓的“控制”阶段(即其输入/输出的控制阶段，其中它允许电流通过旁通单元放电)和所谓的“读取”阶段(即测量燃料电池堆的每个电池的端子两端的电压的阶段)。读取阶段会持续非常短的时间(数微秒)，这允许不干扰处于旁通模式的燃料电池堆的电池的运行阶段。
每个电气旁通单元UP_j包括输入控制端子X_j。它还包括第一连接端子Z_j_1和第二连接端子Z_j_2，以能够并联连接到所述燃料电池堆的至少一个电池。
电子旁通设备D如下地连接：
-对于2至M-1的j，阶j的电气旁通单元的第二连接端子Z_j_2连接到阶j+1的电气旁通单元的第一连接端子，
-阶1的电气旁通单元的第一连接端子Z_j_1连接到第一主连接端子Y1，
-阶M的电气旁通单元的第二连接端子Z_j_2连接到第二主连接端子Y2。
控制系统包括用于控制电子旁通设备D的控制电路CC。
控制电路CC包括连接到中央控制单元UC的控制输出S1以接收所述控制电势Vp的第一输入端子W1和连接到第一主连接端子Y1的第二输入端子W2。它还包括每个连接到单独的旁通单元UP_j的控制端子X_j的多个输出W_j(其中j为1至M)。
控制电路CC由此配置为将作为输入接收到的控制电势Vp分成每个施加到单独的输出端子的多个单独的驱动电势V_j。
为此，控制电路CC包括级联连接的多个单独的控制单元，其每个包括专用于控制单独的电气旁通单元UP_j的输出W_j，串联的最后的控制单元从中央控制单元UC接收控制电势Vp作为输入。控制单元可由此用阶j标记，其中j为1至M。阶j的控制单元接收来自阶j+1的单元的控制电势作为输入并配置为将驱动电势V_j提供到其输出W_j。
非限制性地，控制电路CC可采用桥式分压器的形式，其包括串联的多个电阻器。为了生成驱动电势V_j，对于阶1至M-1的控制单元，控制电路CC的每个控制单元由此包括串联的至少两个电阻器，其形成电阻桥，限定控制电路CC的具体输出W_j的中点存在于串联的两个电阻器之间。至于阶M的控制单元，桥式分压器的最后的电阻器可省掉，控制电势Vp由中央控制单元UC设定。
控制电路CC包括串联连接的至少M个电阻器。桥式分压器的电阻器具有被选择的电阻，以便允许对上游接收的电势进行分压并且生成针对相关联的旁通单元UP_j的控制而定制的每个电驱动电势V_j。
参照图5A至5C，每个电气旁通单元UP_j包括至少一个可驱动晶体管。
晶体管有利地是场效应晶体管(FET)并有利地是MOSFET。
要提醒的是，MOSFET可取决于它们的沟道类型分成两大类和分成两种模式。沟道可以是n类型或p类型的。模式可以是增强型或耗尽型的。增强型晶体管通常是OFF的，即在其栅极与其源极之间没有驱动电源的情况下，晶体管保持在关断状态。耗尽型晶体管通常是ON的，即在其栅极与其源极之间没有驱动电源的情况下，晶体管保持在导通状态。由激活晶体管控制的电流在n沟道MOSFET中从漏极流向源极，而在p沟道MOSFET中从源极流向漏极。在n沟道MOSFET中，寄生二极管取向为从源极到漏极，而在p沟道MOSFET中，寄生二极管取向为从漏极到源极。
作为示例，在每个旁通单元中，晶体管可由此是：
-如图5A所示，耗尽型p沟道MOSFET，或
-如图5B所示，增强型n沟道MOSFET，或
-如图5C所示，耗尽型n沟道MOSFET，或
-增强型p沟道MOSFET。
作为变型实施例，还可使用由氮化嫁(GaN)或碳化硅制成的晶体管。这些晶体管具有多个优点，其中：
-它们具有低通态电阻，由此允许通过比硅组件高得多的电流，同时占据同等或甚至更小的体积；
-它们可以容易地制成耗尽型，如下文可见，这对于本发明有些有利。
参照图5A，耗尽型p沟道MOSFET在其栅极与其源极之间的电压Vgs低于电势阈值Vgs_th时，其是ON(导通)的。当其栅极-源极单元Vgs高于所述阈值Vgs_th时，其是OFF(关断)的。它的特殊之处在于，与增强型晶体管相反地，它的电势阈值Vgs_th是正的，非负的。它通常是ON的，这意味着在没有驱动信号的情况下，晶体管保持导通状态，施加合适的电压Vgs允许其关断。
作为示例，它可涉及由On Semiconductor以编号MMBFJ177LT1销售的晶体管，它具有导通电压阈值Vgs_th＝2.5V。
图6A示出本发明的系统，其在每个电气旁通单元中使用耗尽型p沟道MOSFET。该系统被示出为连接到包括三个电池的燃料电池堆。它由此包括三个电气旁通单元，每个专用于对电池堆的单独的电池放电。
该示意图由此示出：
·M3、M4、M5：集成在每个电气旁通单元中的耗尽型p沟道MOSFET。
·R7、R8、R9：分别连接在每个晶体管M3、M4、M5的栅极与源极之间的电阻器。
·R1、R2、R3：对于每个晶体管M3、M4、M5，分别连接在漏极与其第二连接端子之间的电阻器。
·R4、R5、R6、R12：控制电路的电阻器，它们形成四电阻器桥式分压器，以便为每个受控晶体管调整驱动电势：它们的电阻必须选择为满足该目的。
·CC：如上所述的控制电路。
·UC：负责提供控制电势Vp的控制单元。它可以具有参照图4所述的架构。
采用该架构，下文说明其操作原理。
电池堆正在运作并处于正常状态：
-Vp限定为等于5V，并且电阻器R4、R5、R6和R12限定为具有以下电阻：
οR4＝8.1kohms
οR5＝R6＝R12＝1.2kohms
-晶体管M3、M4和M5是耗尽型的。
-在处于运作中的燃料电池堆的每个电池中，存在电压，例如最大为1.2V(这是对于电子设备最不利的情况)。晶体管M5的源极处于相对于地的电势V＝3*1.2＝3.6V(这是因为三个电池串联)。
-监测组件2通过软件驱动其可驱动输出至高状态，允许晶体管M1被控制到ON状态，这还导致晶体管M2导通。
-控制电势Vp(例如等于5V)因此被施加到中央控制单元UC的控制输出，允许控制电路CC受控制。
-基于控制电势，控制电路CC在其输出W_j(j为1至M)中每个上生成驱动电势V_j。电阻器R12和随后的桥式分压器的存在产生晶体管M5的栅极-源极电压，其等于Vgs_M5＝4.4V。
-晶体管M5因此处于OFF状态，这防止对应的电池Cell_3被短路，如在电池堆的正常运作中所期望的。
-借助于桥式分压器，施加给每个旁通单元的晶体管的栅极-源极电压保持高于阈值Vgs_th，由此允许其被保持在OFF状态。
-要指出的是，所提出的规格是对于每个电池可提供1.2V的电压的情况定制的。如果每个电池提供更低的电压，例如0.6V，每个电气旁通单元UP_j的晶体管的栅极-源极电压Vgs会自动增大，从而使其更能被控制到OFF状态。
要指出的是，控制电路CC的桥式分压器在运作中消耗大约1mA，该数值相对于电池堆的功率是可忽略的。
桥式分压器的目的是在不施加过高的驱动电势的情况下，正确地关断每个晶体管M3、M4、M5，以避免组件的任何损坏。
在电池堆关闭时：
-中央控制单元UC的监测组件2通过软件驱动其可驱动输出到低状态，允许分别关闭被电阻器R10和R11下拉的晶体管M1和M2。
-通过晶体管R7、R8、R9的作用，每个晶体管M3、M4、M5的栅极的电压因此自动地被拉至其源极的电势，从而使它们导通。
-燃料电池堆的所有电池由此被放电，去除可能损坏燃料电池堆的膜或其它元件的任何残余电势。
要指出的是，即使监测组件2不再在其可驱动输出上提供任何信号，并且因此没有给控制电路CC提供作为输入的控制电势Vp，所有电池仍被放电，这是因为燃料电池堆的关闭会在晶体管M3、M4、M5中每个的源极上产生趋向于0V的电势，该电势则足以使得它们的栅极-源极电压Vgs下降到低于阈值Vgs_th并因此使得它们处于导通状态。
该架构因此显得特别具有鲁棒性，这是因为在没有控制的情况下，燃料电池堆的所有电池自动被放电，由此防止任何触电风险。
可指出的是，例如由图6A、6B和6C中的电阻器R1、R2、R3体现的多个限流元件有利地被引入以在电池Cell_i被放电时调节放电电流。这些限制元件的数值逐个地设定，具体取决于燃料电池堆PAC的尺寸、在放电期间必须通过的电流，和为了耗散满足系统耗散热量的能力的合理的功率而要求该电流流动的时间。作为示例，电阻器R1、R2、R3可具有200Mohms的电阻。当然，可使用其它耗散解决方案，例如正温度系数(PTC)电阻器。
图5B示出增强型n沟道MOSFET。
该晶体管的运作实际上与上文对于p沟道耗尽型MOSFET所述的运作相反。
该晶体管在其栅极与其源极之间的电压Vgs低于电势阈值Vgs_th时，该晶体管是关断的。它在其栅极-源极电压Vgs高于所述阈值Vgs_th时是导通的。因此，它通常是OFF的，这意味着在没有驱动信号的情况下，晶体管保持在关断状态，并且施加高于阈值的合适电压Vgs允许其导通。
图6B示出在其旁通单元中集成增强型n沟道MOSFET的系统的电子架构。
在图6B中，所使用的附图标记与在图6A中使用的相同。
在图6B的该架构中，控制组件2的可驱动输出在电池堆的正常运作中布置在低状态，以关断晶体管M3、M4、M5。在电池堆关闭或其启动时，该输出必须布置在高状态以使M3、M4、M5导通并由此使燃料电池堆的电池放电。
参照图5C，耗尽型n沟道MOSFET通常是ON的，就像图5A所示的晶体管那样。它因此在其栅极与其源极之间的电压Vgs低于电势阈值Vgs_th时处于ON状态，而在其栅极-源极电压Vgs高于所述阈值Vgs_th时处于OFF状态。它的特点在于，它的电压阈值Vgs_th是负的。
图6C示出本发明的控制系统的集成了根据图5C的晶体管的架构。其运作类似于参照图6A所述的。在该架构中，中央控制单元UC可具有对于电气旁通单元的晶体管的负的电压阈值Vgs_th定制的结构。
要指出的是，还可以使用增强型p沟道MOSFET。旁通单元的运作则会类似于上文参照图6B所述的。
还要指出的是，上文对于各个架构所述的电阻器R7、R8、R9可被移除并由单个下拉电阻器R13代替。电阻器R7、R8、R9具有连接到其晶体管的源极的端子，并且当晶体管未被驱动但电池被供电时，处于非零电压。该电压导致电流在每个晶体管的源极和地之间通过，因此导致晶体管的栅极上的非零电势。即使该电势仍然太低而无法使对应的晶体管导通，但将其移除可能会被证明是有利的。
晶体管因此由在图7中标记为R13的单个下拉电阻器代替。它允许被驱动的晶体管的所有栅极接地，这是因为不再连接到晶体管的源极。该电阻器R13可连接到参考电势并直接连接到中央控制单元UC的输出S1或阶M的旁通单元的晶体管的栅极。作为示例，该电阻器R13可具有高于10kohms的电阻。
参照图8，本发明的控制系统可由此集成在包括燃料电池堆PAC的电气设备中，该燃料电池堆包括多个电池，以及用于控制和监测电池堆的电子部分CTRL，该部分例如位于远离燃料电池堆的结构之处。该控制和监测部分可包括中央控制单元UC、控制电路CC和电气旁通设备D。带状电缆允许燃料电池堆连接到该控制和监测部分。这些带状电缆包含测量线，其专用于测量燃料电池堆的每个电池的端子两端的电压并连接到监测组件2的输入/输出。要指出的是，该控制和监测部分CTRL本身可连接到负责管理多个燃料电池堆的中央单元(例如通过通信总线)。
采用上述各个架构，由此可列出以下优点：
-本发明的解决方案使得能够保证旁通单元的晶体管的耐压和对其正确的控制。控制电路允许调节驱动电势并允许不损坏地使每个晶体管导通或关断。
-本发明的解决方案允许以两种方式控制每个晶体管，即从ON状态到OFF状态，和相反地从OFF状态到ON状态。这是通过存在连接在每个晶体管的栅极与源极之间的上拉或下拉电阻器而允许的。
-使用耗尽型晶体管允许使得系统的运作更加安全。具体地说，在电池堆关闭或启动时，该配置使得能够确保所有电池已经放电了，即使在没有来自中央控制单元的指令的情况下。
-本发明的解决方案允许测量电池堆的电池的端子两端的电压所需的接线与用于连接每个旁通单元的接线融合。所述系统可由此设置在简单控制板上并容易地位于远离供电部分之处。
-本发明的解决方案允许确定性地控制在其转换到导通状态期间通过每个旁通单元的电流的幅度，以便耗散与系统的散热能力相适应的功率、启动/关闭阶段的持续时间和对放电精确电流量的实际需求兼容的功率。这是借助于使用与旁通单元的每个晶体管串联的放电电阻器而允许的。

Claims (12)

1.一种旨在适应燃料电池堆(PAC)的控制系统，所述燃料电池堆包括串联连接在第一端子(B1)与第二端子(B2)之间的多个电池(Cell_i)，所述系统包括：
-中央控制单元(UC)，其包括至少一个输出(S1)并配置为向所述输出施加控制电势(Vp)，
-旨在连接到所述燃料电池堆的第一端子和参考电势的第一主连接端子(Y1)，和旨在连接到所述燃料电池堆的第二端子的第二主连接端子(Y2)，
-电子旁通设备(D)，其包括：
o M个单独的电气旁通单元(UP_j)，其中M大于或等于2，每个旁通单元由阶j限定，其中j为1至M，每个电气旁通单元包括第一连接端子(Z_j_1)和第二连接端子(Z_j_2)以能够并联连接到所述燃料电池堆的至少一个单独的电池，和输入控制端子(X_j)，
o对于从1至M-1的j，阶j的电气旁通单元的第二连接端子(Z_j_2)连接到阶j+1的电气旁通单元的第一连接端子，
o阶1的电气旁通单元的第一连接端子(Z_1_1)连接到所述第一主连接端子(Y1)，
o阶M的电气旁通单元的第二连接端子(Z_M_2)连接到所述第二主连接端子(Y2)，
o每个电气旁通单元配置为控制其第一连接端子与其第二连接端子之间的连接或断开连接，
-其特征在于：
-所述系统包括控制电路(CC)，其包括连接到所述中央控制单元(UC)的输出(S1)以接收所述控制电势(Vp)的第一输入端子(W1)和连接到所述第一主连接端子(Y1)的第二输入端子(W2)，
-所述控制电路(CC)包括多个输出端子(W_j)，每个输出端子连接到单独的电气旁通单元的输入控制端子(X_j)，
-所述控制电路(CC)配置为将作为输入接收到的所述控制电势(Vp)分成多个单独的驱动电势(V_j)，每个生成的驱动电势(V_j)旨在施加到所述控制电路(CC)的单独的输出端子(W_j)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制电路(CC)包括桥式分压器，该桥式分压器包括串联连接的至少M个电阻器，当所述控制电势(Vp)被施加到所述中央控制单元(UC)的输出(S1)时在其之间限定所述驱动电势(V_j)。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，每个电气旁通单元(UP_j)包括可驱动耗尽型晶体管。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，每个电气旁通单元(UP_j)包括选自以下的可驱动晶体管：
-耗尽型p沟道MOSFET，
-增强型n沟道MOSFET，
-耗尽型n沟道MOSFET，
-增强型p沟道MOSFET。
5.根据权利要求3或4所述的系统，其特征在于，每个电气旁通单元(UP_j)包括连接到其可驱动晶体管的漏极或源极的放电电阻器。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的系统，其特征在于，每个电气旁通单元包括连接在其可驱动晶体管的栅极与源极之间的电阻器。
7.根据权利要求3至5中任一项所述的系统，其特征在于，它包括连接在所述参考电势与所述中央控制单元(UC)的输出(S1)或阶M的电气旁通单元的晶体管的栅极之间的下拉电阻器(R13)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其特征在于：
-所述中央控制单元(UC)包括用于监测所述燃料电池堆的每个电池的端子两端的电压的组件(2)，
-所述系统包括旨在将所述监测组件(2)连接到所述燃料电池堆的每个电池的端子的两个电气测量链路，
-旨在与所述燃料电池堆的电池相关联的每个电气旁通单元连接在所述电池的两个电气测量链路之间。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述中央控制单元包括连接到所述监测组件(2)的可驱动输出的控制元件(3)。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制元件(3)包括第一晶体管(M1)和第二晶体管(M2)，其中，所述第一晶体管的栅极连接到所述监测组件(2)的可驱动输出以接收控制信号(V2)，所述第二晶体管的栅极连接到所述第一晶体管(M1)的漏极，所述第二晶体管(M2)旨在控制所述控制电势(Vp)的传递。
11.一种包括燃料电池堆的电气设备，所述燃料电池堆包括多个电池，其特征在于，所述电气设备包括根据权利要求1至10中任一项所述的控制系统，所述系统的每个电气旁通单元(UP_j)并联连接到所述燃料电池堆的至少一个单独的电池。
12.根据权利要求11所述的电气设备，其特征在于，每个电气旁通单元与用于测量所述燃料电池堆的每个电池的端子两端的电压的链路并联连接。
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