CN1971993A - 用于燃料电池的有源隔离系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统包括有导电性冷却剂流过的燃料电池和与所述燃料电池互连的高电压直流(HVDC)总线。有源隔离电路包括冷却剂故障电流传感器，其检测所述冷却剂中的故障电流(也称为剩余电流)并在检测到所述故障电流时生成故障信号。开关电路基于故障信号来补偿和重定向故障电流，由此提供有源故障电流限制。

Description

用于燃料电池的有源隔离系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池或其它自动HVDC源，并且更具体地涉及电压和/或电流隔离系统，用于导电的(即非绝缘)流体冷却燃料电池栈。
背景技术
燃料电池栈在相对高的电压电平和更高的温度工作。流经冷却剂回路的液体通常用于控制燃料电池栈的温度。冷却剂回路通常包括散热器、泵、管子和/或其它部件。为了安全，通常采取将燃料电池栈的高电平电压与在冷却剂回路中流动的冷却剂隔离的步骤。换句话说，为了提供电隔离，应当电隔离冷却剂回路或者使用绝缘冷却剂。
当前的方法利用导电性非常低或者绝缘的冷却剂以及长/细的绝缘冷却剂管。例如，低导电性冷却剂可以是去电离(DI)水或者绝缘冷却剂可以是油。当与高导电性冷却剂，比如汽车(即水和基于乙二醇)冷却剂相比较，导电性低或绝缘的冷却剂通常具有显著的性能缺陷。例如，绝缘冷却剂通常具有低的热容量、低的导热性和高的粘性(例如油)。绝缘冷却剂因此有害地影响系统功率密度、散热器尺寸、散热片尺寸、和/或冷却剂泵功率。导电性低的冷却剂还可造成各种环境约束。导电性低的冷却剂缺乏抗冻特性和/或可引起腐蚀(例如去离子水)。冷却剂系统中的污染物还趋于随时间增加导电性低的冷却剂的导电性并因而隔离变得更糟糕。
发明内容
由此，本发明提供了一种燃料电池系统，包括具有有冷却剂流过的燃料电池和与该燃料电池互连的高电压直流(HVDC)总线。有源隔离电路包括第一/第二或多个电流传感器，其将冷却剂出口/入口通路上的冷却剂连接到燃料电池并检测冷却剂中的接地故障电流，并且在检测到故障电流时生成故障信号。开关电路基于故障信号来重定向和补偿故障电流。
在一个特征中，第一/第二电流传感器被浸入在冷却剂中。
在另一个特征中，开关电路监控故障信号。
在另一个特征中，开关电路包括接收故障信号和生成输出信号的运算放大器。开关设备基于输出信号选择性地使更替通路对于故障电流接地。开关包括当处于导通模式时使能交替通路的MOSFET-晶体管。
在另一个特征中，有源隔离电路还包括第三或更多的故障传感器，其检测所有冷却剂通路(出口/入口/通风口等)中的故障电流并在检测到故障电流时影响故障信号。开关电路包括生成输出信号的运算放大器和第一开关，该第一开关基于输出信号的极性选择性地使从HVDC负端起的交替通路对于故障信号接地。第二开关基于输出信号的极性选择性地使从HVDC正端起的交替通路对于故障信号接地。当任何故障传感器检测到正的故障电流时，运算放大器发信号通知第一开关使能交替通路。当任何故障传感器检测到负的故障电流时，运算放大器发信号通知第二开关使能交替通路。
从之后所提供的详细描述中，本发明的其它可应用领域将变得更明确。可以理解，详细描述和特定示例尽管表示了本发明的优选实施例，但却只是说明性的目的而不试图限制本发明的范围。
附图说明
根据详细描述和附图，本发明将被更充分地理解，其中：
图1是包括Y-电容器的导电液体冷却的燃料电池系统高电压(HV)总线的电路图；
图2是合并了根据本发明的有源隔离电路的HV总线的电路图；
图3是说明根据本发明的故障放电电流的曲线图；和
图4是合并了Y-电容器(Y-cap)放电补偿电路和根据本发明的有源隔离电路的HV总线的电路图。
具体实施方式
优选实施例的下面描述本质上仅仅是示例性的并且决不试图去限制本发明、及其应用或用途。为了清楚的目的，同样的参考标志将用在附图中以识别类似的元件。
现在参考图1，燃料电池系统10包括高电压直流(HVDC)功率总线12和燃料电池栈14。燃料电池栈14被表示为两个电压源V1和V2。V1和V2的示例值是200V，尽管可以使用其它值。假设V1和V2为200V，燃料电池栈14两端的总电压为400V。燃料电池栈14包括流经歧管的导电性冷却剂。进入/离开燃料电池的冷却剂被表示为并联电阻Rc。电阻Rc的示例值各是20kΩ或者总的为10kΩ。因为冷却剂可通过歧管在燃料电池任何定义的点处进入(离开)燃料电池栈，电阻Rc可连接到任何中间电压处的燃料电池电压，并且这里为了清楚的目的将其示为平衡配置(＝在中部进入/离开燃料电池)。
HVDC功率总线12包括正和负的节点(分别为HV+和HV-)和电容器电路16。给定了V1和V2的示例值并假设电压平衡是对称的，那么HV+处于200V而HV-处于-200V。电容器电路包括电容器C1，C2和C3。C1，C2和C3的示例值分别是3000μF、5μF和5μF。电容器电路16为HVDC功率总线12屏蔽电磁干扰(EMI)。Y-电容器C2，C3将HVDC功率总线12桥接到车辆底盘(未示出)或安全接地。电容器C1，C2和C3可分布在与HVDC总线连接的真实燃料电池系统的多个部件上，但在这里被表示为集中的部件。
典型的故障接触例如人体被表示为故障电阻RFAULT。尽管故障接触在HV+处被示出，但是故障接触还可出现在HV-或任何中间电压处。RFAULT的示例值是1kΩ。由于故障接触，放电电流引起Y-cap电路16经过RFAULT向地放电。Y-cap电路中在故障接触期间耗散的能量等于1/2CV2。如图3所示，其会在下面更详细地讨论，典型的放电电流在故障接触时立即达到峰值并接着逐渐降低到25mA以下，只要这里提供了示例值。在典型放电电流曲线之下的区域表示了通过RFAULT(例如人体)耗散的能量。
现在参考图2，燃料电池系统20包括高压直流(HVDC)功率总线22和燃料电池栈24。燃料电池栈24被表示为两个电压源V1和V2。V1和V2的示例值是200V，尽管可以使用其它值。假设V1和V2为200V，燃料电池栈24两端的总电压为400V。燃料电池栈24包括流经歧管的导电性冷却剂，其被表示为并联电阻器R1和R4。R1和R4的示例值各是22kΩ和18kΩ。由冷却剂系统26所提供的冷却剂由并联电阻器R9和R8表示。R9和R8的示例值各是10kΩ。R9和R8各自与R1和R4串联。
HVDC功率总线22包括正和负的节点(分别为HV+和HV-)和电容器(cap)电路28。给定了V1和V2的示例值并假设电压平衡是对称的，那么HV+处于200V而HV-处于-200V。电容器电路28包括电容器C8，C1和C2。C8，C1和C2的示例值分别是3000μF、5μF和5μF。电容器电路28使HVDC功率总线免于电磁干扰(EMI)。Y-电容器C1，C2将HVDC功率总线桥接到车辆底盘(未示出)或安全接地。
燃料电池系统20包括有源隔离电路29。有源隔离系统由监控电路60和开关电路32组成。监控电路60包括与冷却剂相关联的故障传感器62，64和电阻器RS1和RS2。故障传感器62，64收集流经燃料电池系统20的所有抗冷却剂通路的净故障电流，所述通路通过RS1，RS2接地。RS1，RS2(可以是单个组合的电阻)将来自传感器62，64的故障电流转换成故障信号电压。故障信号电压连接到运算放大器34的倒相输入端40。开关电路32包括运算放大器(op-amp)34、第一MOSFET晶体管S1和第二MOSFET晶体管S2。运算放大器34包括接地的正输入端36。输出端38连接到S1和S2。负输入端40通过电容器C7和电阻器R7连接到监控电路和输出端。S1包括连接到运算放大器输出端38的栅极输入端42。输入端46(漏极)通过电阻器R17连接到HV-并且输出端48(源极)通过电阻器RINJ接地。S2包括连接到运算放大器输出端38的栅极输入端50。输入端54(漏极)通过电阻器R16连接到HV+并且输出端56(源极)通过电阻器RINJ接地。R16和R17的示例值各包括50Ω，并且RINJ的示例值包括10Ω。S1和S2作为开关。当处于导电状态时，S1或S2提供从HVDC总线正或负端起的电流通路，以通过RINJ和R16或R17接地。C11和R19为来自Rinj的注入电流信号提供低通滤波，R18将过滤的信号反馈到运算放大器输入端40。C11，R18，R19的示例值包括1μF，5k0hm和5k0hm。
在工作中，如果有足够经过冷却剂电阻通道的故障电流，有源隔离电路60发信号通知开关电路32提供接地的交流通路。例如，当故障传感器64或62检测到足够的正故障电流时，运算放大器输出端闭合S2，以创建经由R16，RINJ接地的交流通路。结果，促使故障电流趋向0mA。类似地，当故障传感器62或64检测到足够的负故障电流时，运算放大器输出端闭合S1，以创建经由R17，RINJ接地的交流通路，也导致促使故障电流趋向0mA。
有源隔离电路29使能燃料电池栈冷却剂方案，该方案包括导电冷却剂在公共电压电势板处或任何燃料电池电压位置处进入和离开燃料电池栈24。在多个栈的布置情况下，电压电势板可包括端板或中心抽头板。有源隔离电路29还为冷却剂回路的所有与冷却剂接触的导电部件提供附加的安全接地。此外，有源隔离电路29的实现要求使用隔离或非导电的冷却剂歧管或非导电冷却剂入口/出口区域，以在故障传感器62，64的上游和下游通路形成所定义的冷却剂电阻。
现在参考图4，具有附加Y-cap放电补偿电路29的有源隔离电路桥接HVDC功率总线22并包括监控电路30和60以及开关电路32。监控电路30包括电容器C12和C13以及电阻器RY-CAP，R21和R22。C12和C13的示例值各包括1μF。RY-CAP的示例值包括100Ω并且R21和R22的示例值各包括5kΩ。监控电路60还包括故障传感器62，64，其经由电阻RS1和RS2分别连接到运算放大器34的倒相输入端40和接地。故障传感器62，64测量流经燃料电池系统20的所有抗冷却剂通路的净故障电流，所述通路通过RS1，RS2接地。
开关电路32包括运算放大器(op-amp)34、第一MOSFET晶体管S1和第二MOSFET晶体管S2。运算放大器34包括接地的正输入端36。输出端38连接到S1和S2。负输入端40通过电容器C7和电阻器R7连接到监控电路和输出端。S1包括连接到运算放大器输出端38的栅极输入端42。输入端46(漏极)通过电阻器R17连接到HV-并且输出端48(源极)通过电阻器RINJ接地。S2包括连接到运算放大器输出端38的栅极输入端50。输入端54(漏极)通过电阻器R16连接到HV+并且输出端56(源极)通过电阻器RINJ接地。R16和R17的示例值各包括50Ω，并且RINJ的示例值包括10Ω。S1和S2作为开关工作。当处于导电状态时，S1或S2提供从HVDC总线正或负端起的电流通路，以通过RINJ和R16或R17接地。
在工作中，监控电路30提供电流到开关电路32，以表示Y-cap电路28的放电电流。更具体地，开关电路30监控电容器电路28相对于地的电压变化速率(dV/dt)。如果电容器电路28的dV/dt大于阈值电平，那么指示外部放电电流情况。就是说，正在引起Y电容器C2，C1通过故障接触放电，所述故障接触比如是人接触HV+，HV-，或任何中间电压点。
当Y-cap电路28的dV/dt超过预定阈值时，运算放大器34接收来自监控电路30的电流信号。更具体地，dV/dt信号由包括RY-CAP和C12的差分电容器-电阻器网络生成。dV/dt信号由R21和C13过滤和平滑。根据dV/dt的符号，过滤的信号使运算放大器的输出端38变化到正或负，dV/dt的符号取决于故障位置处于正或负的HVDC总线端。如果运算放大器输出超过MOSFET开关S1(例如-5V)或S2(例如+5V)的接通栅极阈值电压，那么使S1或S2接通，这重定向主故障放电电流通路。例如，如果是处于HV+处的故障，如图4所示，那么运算放大器输出端闭合S2，以创建经由R16和RINJ接地的放电通路。结果，Y-cap电路28的能量主要通过R16和RINJ而不是通过RFAULT来耗散。类似地，如果是处于HV-处的故障，那么运算放大器输出端闭合S1，以创建经由R17和RINJ接地的放电通路。尽管图4的燃料电池系统20被示出为将Y-cap放电补偿电路29和有源隔离电路60包括在一起，有源隔离电路60的功能可通过单独使用有源隔离电路60和开关电路32来实现。
现在参考图3，曲线图说明了根据本发明的Y-cap故障放电电流。传统电路的典型放电电流由最高的虚线说明。本发明的有源隔离电路29的放电电流由中间的虚线说明。放电电流降低到更低的和安全稳定的状态值，等同于高的隔离。本发明的放电补偿电路29的放电电流由实线说明。放电电流下降地更快。此外，每条曲线下的区域指示通过RFAULT耗散的能量的量。利用放电补偿电路29，通过RFAULT来耗散显著降低的能量。
本领域技术人员现在可从前面的描述理解，本发明的宽阔教导可以各种方式实现。因此，尽管已经连同其特定例子描述了本发明，本发明的真实范围不应当被如此限制，因为对于本领域技术人员来说在学习了附图、说明书和后面的权利要求后其它的修改变得清楚起来。

Claims (23)

1.一种燃料电池系统，包括：
有冷却剂流过的燃料电池；
与所述燃料电池互连的高电压直流(HVDC)总线；和
用有冷却剂流过的燃料电池系统实现的有源隔离电路，包括：
第一或多个电流传感器，检测所述冷却剂中的故障电流并在检测到所述故障电流时生成第一故障信号；和
开关电路，基于所述第一故障信号来重定向所述故障电流。
2.权利要求1的电池燃料系统，其中所述第一电流传感器浸入在所述冷却剂中。
3.权利要求1的电池燃料系统，其中所述开关电路监控所述第一故障信号。
4.权利要求1的电池燃料系统，其中所述开关电路包括：
运算放大器，接收所述第一故障信号和生成输出信号；和
开关单元，基于所述输出信号选择性地使从HV+或HV-起的交替通路对于所述故障电流接地。
5.权利要求4的电池燃料系统，其中所述开关单元包括当处于导通模式时使能所述交替通路的MOSFET晶体管。
6.权利要求5的电池燃料系统，其中所述开关电路包括：
生成输出信号的运算放大器；
第一开关，基于所述输出信号的极性选择性地使从HVDC负端起的交替通路对于所述故障电流接地；和
第二开关，基于所述输出信号的极性选择性地使从HVDC正端起的交替通路对于所述故障电流接地。
7.权利要求6的电池燃料系统，其中当所述电流传感器检测到负的故障电流时，所述运算放大器发信号通知所述第一开关使能所述交替通路。
8.权利要求6的电池燃料系统，其中当所述电流传感器检测到正的故障电流时，所述运算放大器发信号通知所述第二开关使能所述交替通路。
9.一种与燃料电池系统的高电压直流(HVDC)总线互连的电路，其中燃料电池系统具有流过其的冷却剂和与所述HVDC总线通信的Y-电容(Y-cap)电路，所述电路包括：
有源隔离电路，具有检测经过所述冷却剂的冷却剂故障电流并在所述冷却剂故障电流出现时生成第一故障信号的电流传感器；和
故障放电补偿电路，包括：
监控电路，监控所述Y-cap电路的外部故障放电电流并在所述外部故障放电电流出现时生成第二故障信号；和
开关电路，基于所述第一故障信号重定向所述冷却剂故障电流并且基于所述第二故障信号重定向所述外部故障放电电流。
10.权利要求9的电路，其中所述电流传感器浸入在所述冷却剂中。
11.权利要求9的电路，其中所述开关电路接收由所述电流传感器生成的所述第一故障信号。
12.权利要求9的电路，其中所述Y-cap电路将所述HVDC总线的正和负端桥接到地。
13.权利要求9的电路，其中所述第二故障信号基于所述Y-cap电路的电压的变化率。
14.权利要求9的电路，其中所述开关电路接收所述第二故障信号。
15.权利要求9的电路，其中所述开关电路包括：
生成输出信号的运算放大器；和
第一开关，基于所述输出信号选择性地使从HV-起的交替通路对于任一所述外部放电电流和所述冷却剂故障电流接地；和
第二开关，基于所述输出信号选择性地使从HV+起的交替通路对于任一所述外部放电电流和所述冷却剂故障电流接地。
16.权利要求15的电路，其中当在所述HVDC总线的正端生成故障条件时，所述运算放大器发信号通知所述第二开关使能所述交替通路。
17.权利要求15的电路，其中当在所述HVDC总线的负端生成故障条件时，所述运算放大器发信号通知所述第一开关使能所述交替通路。
18.一种有冷却剂流过的燃料电池系统的有源隔离电路，包括：
电流传感器，检测所述冷却剂中的故障电流并在检测到所述故障电流时生成故障信号；和
开关电路，基于所述故障信号来重定向故障电流。
19.权利要求18的有源隔离电路，其中所述电流传感器浸入在所述冷却剂中。
20.权利要求18的有源隔离电路，其中所述开关电路监控所述故障信号。
21.权利要求18的有源隔离电路，其中所述开关电路包括：
运算放大器，接收所述故障信号和生成输出信号；和
开关单元，基于所述输出信号使交替通路对于所述故障电流接地。
22.权利要求21的有源隔离电路，其中所述开关包括当处于导通模式时使能所述交替通路的MOSFET晶体管。
23.权利要求21的燃料电池系统，其中当所述电流传感器检测到所述故障电流时，所述运算放大器发信号通知所述开关基于故障电流极性使从HVDC正端起的所述交替通路接地或从HVDC负端起的所述交替通路接地，使得冷却剂故障电流趋向0mA被重新定向或补偿。
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