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VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung ist eine teilweise Fortsetzung der Anmeldung Nr. 13/959,242, eingereicht am 5.8.2013, die den Nutzen der vorläufigen
US-Anmeldung Nr. 61/794,728 , eingereicht am 15.3.2013, beansprucht, deren Offenbarungen hiermit vollständig durch Bezugnahme aufgenommen werden.
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TECHNISCHES GEBIET
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Hier offenbarte Ausführungsformen betreffen allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erwärmen eines Brennstoffzellenstapels.
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STAND DER TECHNIK
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Eine Brennstoffzellenstapelimplementierung wird in der US-Publikation Nr.
US 2007 / 0 292 724 A1 („der '724-Publikation“) für Gilchrist offenbart. Die '724-Publikation offenbart ein Stromversorgungssystem, das während eines Kaltstartzustands betreibbar ist. Das Stromversorgungssystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der elektrisch betreibbar ist, um Gleichstrom- (DC-) Energie zu produzieren, und ein Stromumwandlungssystem, das elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel gekoppelt und betreibbar ist, um DC-Energie aus dem Brennstoffzellenstapel zu erhalten. Das Stromversorgungssystem umfasst ferner mindestens eine Batterie, die elektrisch mit dem Stromumwandlungssystem gekoppelt und betreibbar ist, um Batterie-DC-Energie mit dem Stromumwandlungssystem auszutauschen, und eine Steuerung, die mindestens betreibbar ist, um den Betrieb des Stromversorgungssystems so zu steuern, dass der Batterie während des Kaltstartzustands mindestens eine Menge an pulsierendem Strom zugeführt wird. In der Druckschrift
DE 10 2009 049 761 A1 wird ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem beschrieben, worin ein Brennstoffzellenstapel mit einem Stromumrichter gekoppelt ist und eine Steuerung dafür programmiert ist, als Reaktion auf eine Stapeltemperatur, die kleiner als eine Schwellentemperatur ist, die Brennstoffzelle so zu betreiben, dass ein Strom erzeugt wird, der einer Brennstoffzellenspannung entspricht, die kleiner als eine normale Betriebsspannung ist, und den Stromumrichter so zu betreiben, dass eine Stromumrichter-Ausgangsspannung auf der normalen Fahrzeugbetriebsspannung erzeugt wird und der Strom der Brennstoffzelle entnommen wird, um in der Brennstoffzelle erzeugte Wärme zu vergrößern, um eine Zeit zum Erwärmen der Brennstoffzelle bis zur Schwellentemperatur zu minimieren. In der Druckschrift
DE 11 2011 103 046 T5 wird ein Brennstoffzellenmodul mit Wasser- und Wärmemanagementfunktion offenbart, das einen Brennstoffzellenstapel, Versorgungseinheiten, eine Zellspannungsüberwachungseinheit und eine Stromabgabeneinheit innerhalb der Submodule eines Gehäuses sowie eine Strommanagementeinheit, ein Stepdown -Spannungswandler-Erhitzungssubmodul und ein Wassermanagement-Submodul innerhalb der Submodule des Gehäuses umfasst. Des Weiteren wird ein Managementverfahren für das Brennstoffzellenmodul angegeben. Weiteren Stand der Technik zum Hintergrund der vorliegenden Erfindung bilden die Druckschriften
US 2009 / 0 258 256 A1 ,
DE 103 16 833 B4 und
US 2011 / 0 144 861 A1 .
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KURZFASSUNG
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Ein Fahrzeug umfasst einen Stromumrichter, der thermisch und elektrisch mit einer Brennstoffzelle gekoppelt ist. Die Brennstoffzelle kann zum Versorgen des Fahrzeugs verwendet werden. Auf der Basis einer Brennstoffzellentemperatur kann eine Steuerung dafür programmiert werden, die Brennstoffzelle zu betreiben, um einen Strom zu erzeugen, der einer Brennstoffzellenspannung entspricht, die kleiner als eine normale Fahrzeugbetriebsspannung ist. Außerdem kann die Steuerung den Stromumrichter betreiben, um eine Stromumrichter-Ausgangsspannung auf der normalen Fahrzeugbetriebsspannung zu erzeugen und um den Strom aus der Brennstoffzelle zu entnehmen, um in der Brennstoffzelle erzeugte Wärme zu vergrößern. Die im Stromumrichter erzeugte Wärme kann auf den Brennstoffzellenstapel übertragen werden, um eine Zeit zum Erwärmen der Brennstoffzelle zu minimieren.
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Ein Verfahren zum Steuern einer Brennstoffzelle umfasst Betreiben der Brennstoffzelle zum Beginnen der Selbsterwärmung und Aktivieren eines resistiven Erwärmelements in einem elektrisch mit der Brennstoffzelle gekoppelten Stromumrichter. Das Verfahren umfasst außerdem thermisches Koppeln des resistiven Erwärmelements mit der Brennstoffzelle, um beim Erwärmen der Brennstoffzelle zu helfen, und Deaktivieren der Erwärmung, wenn eine Temperatur der Brennstoffzelle eine vorbestimmte Temperatur erreicht.
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Ein Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der thermisch und elektrisch mit einem Stromumrichter gekoppelt ist, und eine Steuerung. Wenn eine Stapeltemperatur kleiner als eine Schwelle ist, kann die Steuerung programmiert sein, die Brennstoffzelle zur Selbsterwärmung zu betreiben, indem ein Strom erzeugt wird. Die Steuerung kann ferner programmiert sein, den Stromumrichter zur Selbsterwärmung zu betreiben, indem eine Betriebsspannung erzeugt wird. Ein thermisches System ist dafür ausgelegt, Wärme aus dem Stromumrichter auf den Brennstoffzellenstapel zu übertragen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den angefügten Ansprüchen werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung im Einzelnen dargelegt. Andere Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen werden jedoch durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlicher und am besten verständlich. Es zeigen:
- 1 eine erste Vorrichtung zum Erwärmen eines Brennstoffzellenstapels;
- 2 eine zweite Vorrichtung zum Erwärmen des Brennstoffzellenstapels bei einer Hochspannungsimplementierung;
- 3 eine dritte Vorrichtung zum Erwärmen des Brennstoffzellenstapels bei einer Niederspannungsimplementierung;
- 4 einen Graph verschiedener elektrischer Kenngrößen, die dem Brennstoffzellenstapel zugeordnet sind;
- 5 ein Fahrzeug mit einer vierten Vorrichtung zum Erwärmen des Brennstoffzellenstapels bei einer Hochspannungsimplementierung;
- 6 eine fünfte Vorrichtung zum Erwärmen eines Brennstoffzellenstapels;
- 7 eine sechste Vorrichtung zum Erwärmen eines Brennstoffzellenstapels;
- 8 eine siebte Vorrichtung zum Erwärmen eines Brennstoffzellenstapels;
- 9 eine achte Vorrichtung zum Erwärmen eines Brennstoffzellenstapels; und
- 10 einen Graph verschiedener elektrischer Kenngrößen, die dem Brennstoffzellenstapel zugeordnet sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es versteht sich, dass beliebige hier offenbarte Schaltungen oder andere elektrische Vorrichtungen eine beliebige Anzahl von Mikroprozessoren, integrierten Schaltungen, Speichervorrichtungen (z.B. Flash, Direktzugriffsspeicher (RAM), Nurlesespeicher (ROM), elektrisch programmierbaren Nurlesespeicher (EPROM), elektrisch löschbare programmierbare Nurlesespeicher (EEPROM) oder andere geeignete Varianten davon) und Software umfassen können, die miteinander zusammenwirken, um hier offenbarte Operation(en) auszuführen.
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Ein Brennstoffzellenstapel erzeugt elektrische Energie als Reaktion auf elektrochemische Umwandlung von Sauerstoff und Wasserstoff. Im Allgemeinen umfasst der Brennstoffzellenstapel mehrere Brennstoffzellen, die miteinander verbunden sind, wobei jede Brennstoffzelle einen Teil der durch den Brennstoffzellenstapel bereitgestellten Gesamtmenge elektrischen Stroms erzeugt. Im Allgemeinen kann das Kaltstarten des Brennstoffzellenstapels Abführen von Energie nach außen erfordern, wie etwa Abführen dieser in ein WEG-Erwärmelement (Wasser-Ethylenglycol) oder Verwendung eines Antriebsmotors (oder elektrischen Kraftübertragungssystems) in einem Energieverschwendungsmodus. Das WEG-Erwärmelement dient zum Erwärmen des Brennstoffzellenstapels während eines Kaltstartmodus. Bei bestimmten Implementierungen können mindestens zwei WEG-Erwärmelemente verwendet werden, um den Kaltstart des Brennstoffzellenstapels zu ermöglichen. Dieser Zustand fügt Gewicht zu einem Fahrzeug für etwas hinzu, das in bestimmten Fällen selten gebraucht werden kann. Ein Kaltstartbetrieb in Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel ist im Allgemeinen erforderlich, wenn die Temperatur unter 5°C beträgt.
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Die Gesamterwärmung des Brennstoffzellenstapels während eines Kaltstartmodus kann eine beträchtliche Zeit in Anspruch nehmen. Dieser Zustand kann es einem Fahrer nicht ermöglichen, nach dem Kaltstarten des Brennstoffzellenstapels im Fahrzeug einfach wegzufahren. Einige Ansätze haben versucht, den Brennstoffzellenstapel kurzzuschließen, um den Brennstoffzellenstapel zu erwärmen, und den Brennstoffzellenstapel wieder mit einem Fahrzeugbus für normalen Brennstoffzellenstapelbetrieb zu verbinden (z.B. den Kurzschlusszustand zu entfernen), nachdem der Brennstoffzellenstapel auf eine gewünschte Temperatur erwärmt ist. Diese Lösung kann kostspielig zu implementieren sein. Da der Brennstoffzellenstapel während des Kaltstartmodus kurzgeschlossen ist, ist jedoch Fahrzeugwegfahren nicht möglich. Um den Kurzschlusszustand zu entfernen, muss der Brennstoffzellenstapel die gewünschte Temperatur erreichen. Nachdem der Brennstoffzellenstapel die gewünschte Temperatur erreicht, kann das Fahrzeug dann den Wegfahrzustand ausführen.
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Hier offenbarte Ausführungsformen können einen Brennstoffzellenumrichter bereitstellen, der einen Aufwärtsumrichter, einen Abwärtsumrichter oder einen Aufwärts-Abwärts-Umrichter umfasst, um beim Brennstoffzellenstapel-Erwärmen während des Kaltstartmodus zu helfen. Der Umrichter kann ein unidirektionaler Umrichter oder ein bidirektionaler Umrichter sein. Der Aufwärtsumrichter erlaubt es dem Brennstoffzellenstapel, die Ausgangsspannung bei ihrem gewünschten Wert zu ändern, während auf der Fahrzeugseite die optimale Spannung aufrechterhalten wird. Die Wärme wird am Brennstoffzellenstapel erzeugt, indem die Zunahme des Innenwiderstands des Brennstoffzellenstapels (die die Geschwindigkeit der Verschwendungswärmeerzeugung vergrößert), die auftritt, wenn der Stapelstrom vergrößert wird, ausgenutzt wird. Für normalen Brennstoffzellenstapelbetrieb wird ein Kontaktor, der einen Teil des Aufwärtsumrichters bildet, geschlossen, um dadurch zusätzliche Elektronik in dem Aufwärtsumsetzer, mit der der Brennstoffzellenstapel im Kaltstartmodus erwärmt wird, zu umgehen. Um den Brennstoffzellenstapel im Kaltstartmodus zu erwärmen, wird der Kontaktor zur Öffnung gesteuert, während die zusätzliche Elektronik am Aufwärtsumrichter (z.B. IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate)) geschaltet wird, um Strom zu entnehmen, um dadurch Wärme für den Brennstoffzellenstapel zu erzeugen. Dieser Zustand gibt dem Fahrer die Möglichkeit, wegzufahren, während der Aufwärtsumrichter Strom zum Erwärmen des Brennstoffzellenstapels entnimmt. Diese Aspekte und andere werden nachfolgend ausführlicher beschrieben.
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1 zeigt eine erste Vorrichtung 10 zum Erwärmen eines Brennstoffzellenstapels 12. Die erste Vorrichtung 10 umfasst einen Aufwärtsumrichter 14, der wirksam mit mehreren Lasten 16 gekoppelt ist. Die erste Vorrichtung 10 kann in einem Fahrzeug 13 implementiert sein. Der Aufwärtsumrichter 14 umfasst einen Kontaktor 18, eine Induktivität 20, eine Diode 22 und eine Schaltvorrichtung 24, wie einen IGBT oder eine andere geeignete Vorrichtung. Während eines normalen Brennstoffzellen-Herauffahrzustands (z.B. wird das Fahrzeug 13 gestartet, während die Außentemperatur des Fahrzeugs 13 größer als 5°C ist), schließt sich der Kontaktor 18, so dass der Brennstoffzellenstapel 12 den Lasten 16 elektrische Energie zuführt. Wenn der Kontaktor 18 geschlossen wird, fließt der von dem Brennstoffzellenstapel 12 erzeugte elektrische Strom durch den Kontaktor 18 und um die Induktivität 20, die Diode 22 und die Schaltvorrichtung 24 herum.
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In einem Kaltstartmodus (z.B. wird das Fahrzeug 13 gestartet, während die Außentemperatur kleiner als 5°C ist), ist der Kontaktor 18 offen und der Brennstoffzellenstapel 12 versorgt die Induktivität 20, die Diode 22 und die Schaltvorrichtung 24. In diesem Fall erzeugt die Schaltvorrichtung 24 Wärme als Reaktion auf die Energie aus dem Brennstoffzellenstapel 12. Eine (nicht gezeigte) Röhre, die Kühlmittel führt, ist so um die Schaltvorrichtung 24 herum positioniert, dass das Kühlmittel daraus erwärmt wird. Die Röhre erstreckt sich um den Brennstoffzellenstapel 12, wo das erwärmte Kühlmittel zum Erwärmen des Brennstoffzellenstapels 12 verwendet wird. Zusätzlich versorgt die Schaltvorrichtung 24 die Lasten 16. Es versteht sich, dass die Lasten 16 eine beliebige Anzahl von fahrzeugbezogenen Vorrichtungen umfassen, die es dem Fahrer ermöglichen, zu fahren und/oder zu bedienen. Im Kaltstartmodus kann die Schaltvorrichtung 24 genug Energie liefern, um mindestens Teile der Last 16 zu versorgen, um während des Kaltstarts des Brennstoffzellenstapels 12 einen Wegfahrzustand zu ermöglichen. Dies wird nachfolgend ausführlicher besprochen.
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2 zeigt eine zweite Vorrichtung 30 zum Erwärmen des Brennstoffzellenstapels 12 bei einer Hochspannungsimplementierung. Die zweite Vorrichtung 30 umfasst im Allgemeinen den Brennstoffzellenstapel 12, den Aufwärtsumrichter 14, eine Steuerung 32 und einen Temperatursensor 33. Im Allgemeinen kann die Steuerung 32 den Kontaktor 18 auf der Basis des konkreten Modus des Brennstoffzellenstapels 12 zur Öffnung oder Schließung steuern. Falls sich zum Beispiel der Brennstoffzellenstapel 12 in einem normalen Brennstoffzellen-Herauffahrzustand befindet, kann die Steuerung 32 den Kontaktor 18 zur Schließung steuern, um dadurch zu ermöglichen, dass elektrische Energie die Schaltvorrichtung 24 und zusätzliche Schaltkreise in dem Aufwärtsumrichter 14 umgeht. In diesem Fall werden verschiedene Lasten 16, wie etwa, aber ohne Beschränkung darauf, ein Antriebsmotor 34, ein Luftkompressor (oder Kathodenkompressor) 36, variable Spannungslasten 38 (z.B. ein elektrischer Kompressormotor oder eine andere geeignete Vorrichtung, die bei einer Spannung arbeiten kann, die von 170 bis 450 V reicht), ein DC/DC-Umrichter 40, Festspannungslasten 42 (z.B. ein in offener Schleife gesteuerter Induktionsmotor) und eine Batterie 44 aus dem Brennstoffzellenstapel 12 versorgt. Die Steuerung 32 ist dafür ausgelegt, ein Signal von dem Temperatursensor 33 zu empfangen, das eine Außentemperatur des Fahrzeugs 13 während des Fahrzeugherauffahrens angibt. Die Steuerung 32 bestimmt, dass sich das Fahrzeug 13 in dem normalen Brennstoffzellen-Herauffahrzustand befindet, wenn die gemessene Temperatur einen vorbestimmten Temperaturwert übersteigt. In diesem Fall schließt die Steuerung 32 dann den Kontaktor 18, um es dem Brennstoffzellenstapel 12 zu erlauben, die Lasten 16 mit Energie zu versorgen.
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Im Allgemeinen kann die zweite Vorrichtung 30 allgemein als eine Hochspannungs-Brennstoffzellenstapelimplementierung definiert werden. In diesem Fall liefert der Brennstoffzellenstapel 12 genug elektrischen Strom zur Versorgung des Antriebsmotors 34 und des Luftkompressors 36. Zum Beispiel kann der Brennstoffzellenstapel 12 elektrischen Strom liefern, der zwischen 170 und 450 V auf einem Fahrzeugbus 35 zum Antrieb des Antriebsmotors 34, des Luftkompressors 36 und der variablen Spannungslasten 38 bereitstellt.
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Der Antriebsmotor 34 ist dafür ausgelegt, das Fahren des Fahrzeugs 13 zu ermöglichen. Der Luftkompressor 36 komprimiert einen Luftstrom, der an den Brennstoffzellenstapel 12 abgeliefert wird, damit der Brennstoffzellenstapel 12 den elektrischen Strom erzeugen kann. In einem Beispiel kann der Luftkompressor 36 zum Betreiben für vollen Brennstoffzellenstapelbetrieb mindestens 170 V benötigen. Der Luftkompressor 36 kann jedoch immer noch genug Druckluft bereitstellen, um es dem Brennstoffzellenstapel 12 zu ermöglichen, bei einer Spannung, die kleiner als 170 V ist, ein Wegfahren (z.B. einen teilweisen Betrieb im Kaltstartmodus) auszuführen. Dies wird nachfolgend ausführlicher besprochen. Wie oben erwähnt, erhält der Brennstoffzellenstapel 12 Luft und Wasserstoff und wandelt sie elektrochemisch in den elektrischen Strom oder Energie um.
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Im normalen Brennstoffzellen-Herauffahrzustand (oder normalen Brennstoffzellenbetrieb) kann der Brennstoffzellenstapel 12 elektrische Energie erzeugen, die in der Batterie 44 gespeichert wird. Zusätzlich kann die Batterie 44 auch verschiedene Lasten 16 im Fahrzeug 13 versorgen. Der DC/DC-Umrichter 40 ist als ein Aufwärts-/Abwärtsumrichter ausgelegt. Zum Beispiel kann der DC/DC-Umrichter 40 als Abwärtsumrichter wirken und die Spannung, die aus dem Brennstoffzellenstapel 12 bereitgestellt wird, auf eine Spannung heruntersetzen, die für Speicherung in der Batterie 44 und für die Verwendung durch die Festspannungslasten 42 geeignet ist. Wenn er dafür ausgelegt ist, Spannung zu erhöhen, kann der DC/DC-Umrichter 40 aus der Batterie 44 bereitgestellte Spannung zur Versorgung des Antriebsmotors 34, des Luftkompressors 36 und der variablen Spannungslasten 38 heraufsetzen.
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Falls die Steuerung 32 auf der Basis von aus dem Temperatursensor 33 empfangenen Informationen bestimmt, dass die Temperatur während des Fahrzeugherauffahrens unter dem vorbestimmten Temperaturwert (z.B. 5°C) liegt, bestimmt die Steuerung 32, dass der Brennstoffzellenstapel 12 gerade einen Kaltstart erfährt (z.B. sich das Fahrzeug im Kaltstartmodus befindet).
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Wenn die Temperatur unter 5°C fällt und das Fahrzeug 13 für Betrieb gestartet wird (z.B. der Brennstoffzellenstapel 12 einen Kaltstart erfährt), steuert die Steuerung 32 den Kontaktor 18 zur Öffnung, um dadurch dem Brennstoffzellenstapel 12 zu erlauben, Energie an die Induktivität 20, die Diode 22 und die Schaltvorrichtung 24 anzulegen. Die Schaltvorrichtung 24 stellt als Reaktion auf die Erzeugung von Strom Wärme bereit, die dem Brennstoffzellenstapel 12 zu seiner Erwärmung zugeführt wird. In diesem Fall liefert die Schaltvorrichtung 24 genug Energie (oder einen angemessenen Spannungspegel) zum Aktivieren des DC/DC-Umrichters 40. Zum Beispiel kann der DC/DC-Umrichter 40 einen Mindestbetriebsspannungsbereich von zwischen 125-150 V aufweisen. Der Aufwärtsumsetzer 14 liefert in Verbindung mit dem DC/DC-Umrichter 40 genug Spannung (z.B. mindestens 125 V) und Energie zum Betrieb der Lasten 16 (einschließlich des Antriebsmotors 34 und des Luftkompressors 36), um ein Wegfahren im Kaltstartmodus durchzuführen. Der DC/DC-Umrichter 40 kann die Spannung aus der Batterie 44 auch zur Versorgung des Antriebsmotors 34 und des Luftkompressors 36 erhöhen, um dem Fahrer die Möglichkeit zum Durchführen eines Wegfahrens zu erlauben.
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Es versteht sich, dass die Temperatur eine Rolle bei der Fähigkeit des Fahrers, wegzufahren, spielt. Je kälter die Temperatur ist, desto länger dauert es zum Beispiel, bis das Fahrzeug 13 das Wegfahren durchführt. Falls die Temperatur zum Beispiel -15°C beträgt, kann es ungefähr 20 bis 30 Sekunden dauern, um die Wegfahroperation durchzuführen. In einem anderen Beispiel kann es, falls die Temperatur -40°C beträgt, ungefähr 1,5 Minuten dauern, um den Wegfahrzustand durchzuführen. Im Kaltstartmodus stellt der Aufwärtsumrichter 14 im Allgemeinen genug Wärme zum Erwärmen des Brennstoffzellenstapels 12 und genug Spannung zur Versorgung der Vorrichtungen auf dem Bus 35 bereit, um es dem Fahrer zu ermöglichen, wegzufahren. Sobald die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 einen vorbestimmten Wert erreicht, steuert die Steuerung 32 den Kontaktor 18 zur Schließung, um dadurch die Schaltvorrichtung 24 zu deaktivieren. An diesem Punkt stellt der Brennstoffzellenstapel 12 dann erhöhte Spannungspegel bereit, um die verschiedenen Lasten 16 auf dem Fahrzeugbus 35 zu versorgen.
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3 zeigt eine dritte Vorrichtung 50 zum Erwärmen des Brennstoffzellenstapels 12 bei einer Niederspannungsimplementierung. Im Allgemeinen kann die dritte Vorrichtung 50 allgemein als Niederspannungs-Brennstoffzellenstapelimplementierung definiert werden. Die dritte Vorrichtung 50 umfasst einen ersten DC/DC-Umrichter 52 und einen zweiten DC/DC-Umrichter 54, der die Stelle des DC/DC-Umrichters 40 wie in Verbindung mit 2 bemerkt einnimmt. Zusätzlich umfasst die dritte Vorrichtung 50 zusätzliche Fahrzeugbuslasten 38' (z.B. Lasten, die eine höhere Spannungsmenge aus dem Fahrzeugbus 35 erfordern, wie etwa der Antriebsmotor 34) und Batteriebuslasten 42' (z.B. Lasten, die verglichen mit der Spannung aus dem Fahrzeugbus 35 eine niedrigere Spannungsmenge erfordern) aus der Batterie 44, wie zum Beispiel ein Klimaanlagen-Kompressormotor).
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Der Brennstoffzellenstapel 12 ist allgemein dafür ausgelegt, eine niedrigere Spannungsmenge (z.B. 250 V) als die des Brennstoffzellenstapels 12 wie in Verbindung mit 2 bemerkt bereitzustellen. Dementsprechend wirkt, während der Kontaktor 18 im normalen Brennstoffzellen-Betriebsmodus geschlossen ist, der erste DC/DC-Umrichter 52 als ein Aufwärtsumrichter und erhöht die 250 V, um 350 V bis 400 V auf dem Fahrzeugbus 35 zu erreichen. Eine solche erhöhte Spannung auf dem Fahrzeugbus 35 versorgt den Antriebsmotor 34 und den Luftkompressor 36 in einem normalen Betriebsmodus. Zusätzlich benutzen die zusätzlichen Fahrzeugbuslasten 38' auch eine Spannung zwischen 350 bis 400 V. Der zweite DC/DC-Umrichter 54 kann dann als Abwärtsumrichter wirken und die Spannung auf dem Fahrzeugbus 35 auf eine Spannung herabsetzen, die für Speicherung auf der Batterie 44 und zur Versorgung der Batteriebuslasten 42' geeignet ist.
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Im Kaltstartmodus steuert die Steuerung 32 den Kontaktor 18 zur Öffnung, um dadurch dem Brennstoffzellenstapel 12 zu erlauben, Energie an die Induktivität 20, die Diode 22 und die Schaltvorrichtung 24 anzulegen. Die Schaltvorrichtung 24 stellt dem Brennstoffzellenstapel 12 zu seiner Erwärmung Wärme bereit. In diesem Fall stellt die Schaltvorrichtung 24 genug Energie (oder einen angemessenen Spannungspegel) zum Aktivieren des ersten DC/DC-Umrichters 52 bereit. Der erste DC/DC-Umrichter 52 kann einen Mindestbetriebsspannungsbereich von zwischen 125-150 V aufweisen. In diesem Fall stellt die Schaltvorrichtung 24 elektrischen Strom bereit, der ausreicht, um dem ersten DC/DC-Umrichter 52 eine Mindestmenge an Spannung bereitzustellen, um ihm zu ermöglichen, zu arbeiten. Der erste DC/DC-Umrichter 52 kann dann die Spannung von dem Brennstoffzellenstapel 12 zur Versorgung des Antriebsmotors 34 und des Luftkompressors 36 erhöhen, damit ein Fahrer die Möglichkeit hat, ein Wegfahren durchzuführen. Der zweite DC/DC-Umrichter 54 kann dann auf der Basis der Spannung auf dem Fahrzeugbus 35 arbeiten. Anders ausgedrückt, wird der zweite DC/DC-Umrichter 54 durch die Spannung auf dem Fahrzeugbus 35 versorgt, die konstant bleibt, und die Spannung auf dem Bus 35 wird von dem Ausgang des ersten DC/DC-Umrichters 52 bereitgestellt, während der erste DC/DC-Umrichter 52 eine Spannung von mindestens 125 V oder eine andere Mindestspannung erhält.
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4 ist ein Graph 70 verschiedener dem Brennstoffzellenstapel 12 (z.B. in der y-Achse) zugeordneter elektrischer Kenngrößen als Funktion eines Ausgangsstroms aus dem Brennstoffzellenstapel 12 (z.B. in der x-Achse). Der Graph 70 zeigt eine erste Signalform 72, die im Allgemeinen einer Spannung an Anschlüssen des Brennstoffzellenstapels 12 entspricht. Der Graph 70 zeigt ferner eine zweite Signalform 74, die im Allgemeinen an das Fahrzeug 13 abgelieferter Energie entspricht, die durch Multiplizieren der Spannung des Brennstoffzellenstapels 12 mit dem Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 12 berechnet wird. Der Graph 70 zeigt eine dritte Signalform 76, die allgemein einer Wärmemenge entspricht, die intern in dem Brennstoffzellenstapel 12 bereitgestellt wird.
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Wie allgemein bei 82 gezeigt, stellt die erste Signalform 72 dar, dass sich der Brennstoffzellenstapel 12 auf einer Leerlaufspannung (OCV) (z.B. 250 V) und die Schaltvorrichtung 24 auf einem Tastverhältnis von 0% befinden. Die zweite Signalform 74 stellt dar, dass mit zunehmendem Ausgangsstrom die an das Fahrzeug 13 abgelieferte Energie zunimmt, während die Spannung der ersten Signalform 72 abnimmt. In diesem Fall nimmt die Schaltvorrichtung 24 bezüglich seines Tastverhältnisses zu, was zu einer Zunahme des Ausgangsstroms führt, die auch bewirkt, dass die Spannung am Brennstoffzellenstapel 12 abnimmt. Wenn sich die Schaltvorrichtung 24 auf einem Tastverhältnis von 100% befindet, ist der Ausgangsstrom maximal (z.B. etwa 770 A), aber die Spannung am Brennstoffzellenstapel 12 ist auf 0 V abgefallen.
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Wie allgemein bei 84 gezeigt, zeigt dieser Zustand die maximale aus dem Brennstoffzellenstapel 12 verfügbare Energie an (z.B. die maximale Energie, die aus dem Brennstoffzellenstapel 12 an die Lasten 16 abgeliefert werden kann, die zunimmt, während sich der Brennstoffzellenstapel 12 aufwärmt. In der zweiten Signalform 74 hat die an das Fahrzeug abgelieferte Energie eine Spitze bei etwa 675 A (entsprechend einem bestimmten Tastverhältnis X für die Schaltvorrichtung 24), wenn die abgegebene Energie abnimmt. Wie allgemein bei 86 gezeigt, fällt die abgegebene Energie auf null zurück, wenn sich die Schaltvorrichtung 24 auf einem Tastverhältnis von 100% befindet. Die vertikale Linie 90 auf dem Graph 70, die 675A auf der x-Achse schneidet, entspricht dem Fall, dass sich die Schaltvorrichtung 24 auf dem Tastverhältnis X befindet und die an das Fahrzeug 13 abgegebene Energie auf ihrer Spitze ist, oder einem maximalen Tastverhältnis. Durch Modulieren des Tastverhältnisses der Schaltvorrichtung 24 von X auf 100% (z.B. Betrieb des Brennstoffzellenstapels 12 auf der rechten Seite der vertikalen Linie 90) erzeugt der Brennstoffzellenstapel 12 mehr Wärme wie in der Signalform 76 gezeigt als durch Modulieren des Tastverhältnisses der Schaltvorrichtung 24 von 0% auf X (z.B. Betrieb des Brennstoffzellenstapels 12 auf der linken Seite der vertikalen Linie 90) für dieselbe an das Fahrzeug 13 abgegebene Energie, wie in der zweiten Signalform 74 zu sehen ist.
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5 zeigt ein Fahrzeug mit einer vierten Vorrichtung zum Erwärmen des Brennstoffzellenstapels, des Brennstoffzellensystems oder der Brennstoffzelle 512 bei einer Hochspannungsimplementierung. Die vierte Vorrichtung umfasst allgemein die Brennstoffzelle 512, den Kompressor 536, den Stromumrichter oder Umrichter 514, der einen Aufwärtsumrichter, einen Abwärtsumrichter, einen Aufwärts-Abwärts-Umrichter umfassen kann und dafür ausgelegt sein kann, unidirektional oder bidirektional zu arbeiten. Mit dem Umrichter 514 kann man während eines Frierstarts oder Kaltstarts die Spannung der Brennstoffzelle 512 auf eine normale Brennstoffzellenstapel-Betriebsspannung erhöhen, die die normale Betriebsspannung des Fahrzeugs sein kann. Die vierte Vorrichtung umfasst auch allgemein einen thermischen Kanal 502, der die Brennstoffzelle 512 mit dem Umrichter 514 koppelt, der auch mit dem Kompressor 536 gekoppelt sein kann. Im Allgemeinen wird die vierte Vorrichtung durch die (nicht gezeigte) Steuerung 532 gesteuert, die den Kontaktor 518 auf der Basis des konkreten Modus der Brennstoffzelle 512 zur Öffnung oder Schließung steuern kann. Zum Beispiel ist in einem Kaltstartmodus (z.B. wird das Fahrzeug 13 gestartet, während die Außentemperatur kleiner als 5°C ist), der Kontaktor 518, der ein Schließer-Kontaktor oder ein Öffner-Kontaktor sein kann, geöffnet, und die Brennstoffzelle 512 versorgt die Induktivität 520, die Diode 522, die Schaltvorrichtung 524 und ein resistives Heizelement 500. In diesem Fall erzeugt die Schaltvorrichtung 524 (z.B. IGBT, BJT, MOSFET oder Relais) Wärme als Reaktion auf Energiefluss von der Brennstoffzelle 512 durch die Schaltvorrichtung 524, wenn die Schaltvorrichtung 524 geschlossen ist. Die durch die Schaltvorrichtung 524 erzeugte Wärme kann mit einem thermischen Kanal 502 thermisch mit dem Brennstoffzellenstapel 512 gekoppelt werden, um beim Erwärmen des Stapels 512 zu helfen. Wenn der Stapel kalt ist, ist es wünschenswert, eine Last anzulegen, um Strom aus dem Brennstoffzellenstapel 512 bei einer definierten Spannung zu entnehmen, so dass die exotherme Beschaffenheit der Brennstoffzellenreaktion benutzt wird, um den Brennstoffzellenstapel 512 selbst zu erwärmen. Die Last eines Standardumrichters kann für die Selbsterwärmung nicht ideal sein, und es kann wünschenswert sein, eine vergrößerte Last an den Brennstoffzellenstapel 512 anzulegen, um die Stöchiometrie bezüglich der Stromentnahme für effiziente Nutzung des von der Brennstoffzelle 512 zur Erzeugung von Wärme konsumierten Brennstoffs aufrechtzuerhalten. Während des Betriebs der Brennstoffzelle 512 ist die chemische Reaktion, die Strom erzeugt, eine exotherme Reaktion, was bewirkt, dass sich der Brennstoffzellenstapel 512 selbst erwärmt, und somit führt eine Zunahme der Stromanforderung von dem Brennstoffzellenstapel 512 zu einer Zunahme von exotherm erzeugter Wärme in dem Brennstoffzellenstapel 512.
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Das resistive Heizelement 500 kann aus einem Metall-, Verbund-, Keramik-(PTC-) oder anderem geeigneten Material konstruiert werden. Das resistive Heizelement 500 kann so bemessen werden (d.h. eine Widerstand- und Stromführungsfähigkeit aufweisen), dass die Brennstoffzelle so belastet wird, dass es die Brennstoffzellenspannung verringert. Es wird mehr Wärme von der Brennstoffzelle 512 pro Gramm H2 produziert, wenn die Spannung erniedrigt wird. Ein Vorteil des resistiven Heizelements 500 ist, dass das resistive Heizelement beim Absorbieren der Energie aus der Brennstoffzelle Wärme erzeugen kann und die erzeugte Wärme thermisch mit der Brennstoffzelle 512 gekoppelt werden kann, um zusätzliche Wärme bereitzustellen. Das resistive Heizelement 500 kann so mit einem thermischen Kanal 502 gekoppelt werden, dass die erzeugte Wärme aus dem resistiven Heizelement 500 über thermische Kopplung zu der Brennstoffzelle 512 geführt wird. Die thermische Kopplung (z.B. eine Nasskühlmittelröhre) kann ein um die Schaltvorrichtung 524 und das resistive Heizelement 500 fließendes Kühlmittel führen, so dass das Kühlmittel daraus erwärmt wird. Der thermische Kanal erstreckt sich um die Brennstoffzelle 512, wobei das erwärmte Kühlmittel zur Erwärmung der Brennstoffzelle 512 verwendet wird. Zusätzlich versorgt der Umrichter 514 die Lasten, einschließlich eines Antriebs- oder Triebmotors 534, eines Kompressors 536 und Fahrzeugbuslasten 538. Der Umrichter versorgt auch einen sekundären Stromumrichter 540, mit dem die Spannung für eine Schnittstelle mit einer sekundären Batterie 544 und Batteriebuslasten 542, die mit der Batterie 544 gekoppelt sind, herauf- oder herabgesetzt werden können. Es versteht sich, dass die Lasten eine beliebige Anzahl von fahrzeugbezogenen Vorrichtungen umfassen können, die ein Fahren und/oder Bedienen des Fahrzeugs ermöglichen. Im Kaltstartmodus kann die Spannung aus der Brennstoffzelle 512 durch die Modulation der Schaltvorrichtung 524 herab- oder heraufgesetzt werden, um genug Energie zur Versorgung mindestens von Teilen der Last bereitzustellen, um einen Wegfahrzustand während des Kaltstarts der Brennstoffzelle 512 zu ermöglichen.
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6 zeigt eine fünfte Vorrichtung zur Erwärmung eines Brennstoffzellenstapels. Die fünfte Vorrichtung ist ein Umrichter 600, spezieller ein Aufwärtsumrichter mit dem Heizelement 602. Zum Beispiel kann das Heizelement 602 zwischen die Induktivität 620 und die Diode 622 (wie gezeigt) geschaltet werden. In diesem Beispiel kann das Heizelement unter Verwendung einer Schaltvorrichtung 604 selektiv aktiviert werden. Wenn die Schaltvorrichtung 604 offen ist, fließt Strom von der Induktivität durch das Heizelement 602 und erzeugt Wärme, die thermisch zu der Brennstoffzelle 612 kanalisiert werden kann. Wenn die Schaltvorrichtung 604 geschlossen ist, ist das Heizelement 602 kurzgeschlossen und es fließt im Allgemeinen kein Strom durch das Heizelement 602, so dass keine Wärme von dem Heizelement 602 erzeugt wird. Das Heizelement 602 ist zwischen die Induktivität 620 und die Schaltvorrichtung 606 geschaltet gezeigt, kann aber zwischen die Schaltvorrichtung 606 und die Diode 622 geschaltet werden, so dass, wenn die Schaltvorrichtung 606 geschlossen ist, die Induktivität zwischen die Eingänge des Umrichters 608 geschaltet ist, während das resistive Heizelement 602 und die Diode 622 zwischen die Ausgänge des Umrichters 610 geschaltet sind. Das Heizelement 602 kann auch an den Eingängen des Umrichters 608 positioniert sein, so dass die Schaltvorrichtung 604 und das Heizelement 602 in Reihe geschaltet sind, oder an den Ausgängen des Umrichters 610 positioniert werden, so dass die Schaltvorrichtung 604 und das Heizelement 602 in Reihe geschaltet sind.
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7 zeigt eine sechste Vorrichtung zur Erwärmung eines Brennstoffzellenstapels. Die sechste Vorrichtung ist ein Umrichter 700, spezieller ein Abwärtsumrichter mit dem Heizelement 702. Zum Beispiel kann das Heizelement 702 zwischen die Induktivität 720 und die Umrichterausgänge (wie gezeigt) geschaltet werden. In diesem Beispiel kann das Heizelement unter Verwendung einer Schaltvorrichtung 704 selektiv aktiviert werden. Wenn die Schaltvorrichtung 704 geöffnet ist, fließt Strom von der Induktivität durch das Heizelement 702 und erzeugt Wärme, die thermisch zu der Brennstoffzelle 712 kanalisiert werden kann. Wenn der Schaltvorrichtung 704 geschlossen ist, ist das Heizelement 702 kurzgeschlossen und es fließt im Allgemeinen kein Strom durch das Heizelement 702, so dass keine Wärme von dem Heizelement 702 erzeugt wird. Das Heizelement 702 ist zwischen die Induktivität 720 und die Umrichterausgänge geschaltet gezeigt, kann aber zwischen die Umrichtereingänge und die Schaltvorrichtung 724 geschaltet werden, so dass, wenn die Schaltvorrichtung 724 geschlossen ist, das Heizelement 702, die Schaltvorrichtung 724 und die Diode 722 zwischen die Eingänge des Umrichters 708 geschaltet sind. Das Heizelement 702 kann auch an den Eingängen des Umrichters 708 positioniert werden, so dass die Schaltvorrichtung 704 und das Heizelement 702 in Reihe geschaltet sind (nicht gezeigt), oder an den Ausgängen des Umrichters 710 positioniert werden, so dass die Schaltvorrichtung 704 und das Heizelement 702 in Reihe geschaltet sind (nicht gezeigt).
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8 zeigt eine siebte Vorrichtung zum Erwärmen eines Brennstoffzellenstapels. Die siebte Vorrichtung ist ein Umrichter 800, spezieller ein Abwärts-Aufwärts-Umrichter mit dem Heizelement 802 . In diesem Beispiel kann das Heizelement 802 zwischen die Induktivität 820 und die Diode 822 (wie gezeigt) geschaltet werden. Dieses Beispiel zeigt, dass das Heizelement unter Verwendung einer Schaltvorrichtung 804 selektiv aktiviert werden kann. Wenn die Schaltvorrichtung 804 offen ist, fließt Strom von der Induktivität durch das Heizelement 802 und erzeugt Wärme, die thermisch zu der Brennstoffzelle 812 kanalisiert werden kann. Wenn die Schaltvorrichtung 804 geschlossen ist, ist das Heizelement 802 kurzgeschlossen und es fließt im Allgemeinen kein Strom durch das Heizelement 802, so dass keine Wärme von dem Heizelement 802 erzeugt wird. Das Heizelement 802 ist zwischen die Induktivität 820 und eine Schaltvorrichtung 806 geschaltet gezeigt, die ein IGBT, BJT, MOSFET, Relais oder eine andere geeignete Vorrichtung sein kann, kann aber zwischen die Schaltvorrichtung 824 und die Diode 822 geschaltet werden, so dass, wenn die Schaltvorrichtung 824 geschlossen ist, das Heizelement 802 und die Diode 822 zwischen den Eingängen des Umrichters 808 in Reihe geschaltet sind. Das Heizelement 802 kann auch an den Eingängen des Umrichters 808 positioniert werden, so dass die Schaltvorrichtung 804 und das Heizelement 802 in Reihe geschaltet sind (nicht gezeigt), oder an den Ausgängen des Umrichters 810 positioniert werden, so dass die Schaltvorrichtung 804 und das Heizelement 802 in Reihe geschaltet sind (nicht gezeigt).
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9 zeigt eine achte Vorrichtung zum Erwärmen einer Brennstoffzelle. Die achte Vorrichtung ist ein Umrichter 900, spezieller ein bidirektionaler Abwärts-/Aufwärtsumrichter mit dem Heizelement 902. In diesem Beispiel kann das Heizelement 902 zwischen die Induktivität 920 und die Diode 922 (wie gezeigt) geschaltet werden. In diesem Beispiel kann das Heizelement unter Verwendung einer Schaltvorrichtung 904 selektiv aktiviert werden. Wenn die Schaltvorrichtung 904 offen ist, fließt Strom von der Induktivität durch das Heizelement 902 und erzeugt Wärme, die thermisch zu der Brennstoffzelle 912 kanalisiert werden kann. Wenn die Schaltvorrichtung 904 geschlossen ist, ist das Heizelement 902 kurzgeschlossen und es fließt im Allgemeinen kein Strom durch das Heizelement 902, so dass keine Wärme von dem Heizelement 902 erzeugt wird. Das Heizelement 902 ist zwischen die Induktivität 920 und die Schaltvorrichtung 924 geschaltet gezeigt, kann aber zwischen die Schaltvorrichtung 924 und die Diode 922 geschaltet werden, so dass, wenn die Schaltvorrichtung 924 geschlossen ist, die Induktivität zwischen die Eingänge des Umrichters 106 geschaltet ist, während das resistive Heizelement 902 und die Diode 922 zwischen die Ausgänge des Umrichters 910 geschaltet sind. Das Heizelement 902 kann auch an den Eingängen des Umrichters 908 positioniert werden, so dass die Schaltvorrichtung 904 und das Heizelement 902 in Reihe geschaltet sind (nicht gezeigt), oder an den Ausgängen des Umrichters 910 positioniert werden, so dass die Schaltvorrichtung 904 und das Heizelement 902 in Reihe geschaltet sind (nicht gezeigt).
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10 ist ein Graph verschiedener dem Brennstoffzellenstapel zugeordneter elektrischer Kenngrößen. Dies zeigt ein Beispiel für Energie 1002 und Spannung 1004 über der Zeit 1006 für einen Brennstoffzellenkaltstart, wie auf 5 angewandt. Dieses Verfahren ist nicht auf 5 beschränkt und kann in einer beliebigen hier beschriebenen Ausführungsform implementiert werden. Wenn der Brennstoffzellenfahrzeugbetrieb mit einer Brennstoffzellentemperatur unter einer vorbestimmten Temperatur eingeleitet wird, wird die Brennstoffzelle elektrisch von dem Umrichter 514 getrennt. Dann kann die Hochspannungsbatterie 544 zum Versorgen von Niederspannungs-Fahrzeuglasten 542, Hochspannungs-Fahrzeuglasten 538 und eines Kompressors 536 verwendet werden, um die Luftströmung in die Brennstoffzelle 512 zu beginnen, um den Brennstoffzellenbetrieb zu beginnen. Während der Brennstoffzellenbettrieb beginnt, nimmt eine Brennstoffzellenenergie 1008 und Brennstoffzellenspannung 1010 von dem Anfangspunkt von 1012 aus zu, bis sie eine vorbestimmte Spannung 1014 erreicht (dies kann die maximale Brennstoffzellen-Leerlaufspannung oder ein niedrigerer Spannungspegel sein). Beim Erreichen der vorbestimmten Leerlaufspannung 1014 wird eine Last an die Brennstoffzelle 512 angelegt (z.B. wird die Brennstoffzelle 512 elektrisch mit dem Umrichter 514 und dem resistiven Heizelement 500 verbunden). An diesem Punkt fällt die Brennstoffzellenspannung 1010 auf einen Niederspannungs-Arbeitspunkt 1016 ab (eine beispielhafte niedrige Spannung wäre Betrieb mit 100-150 Volt mit einer Brennstoffzelle, die eine normale Betriebsspannung von 250-400 V aufweist). Die an die Brennstoffzelle angelegte Last kann das resistive Heizelement 500, den Umrichter 514, den Luftkompressor 536, den Antriebsmotor 534, Niederspannungs-Fahrzeuglasten 542, Hochspannungs-Fahrzeuglasten 538 und die Hochspannungsbatterie 544 umfassen. Der Brennstoffzellenbetrieb wäre ausgeglichen, so dass Stöchiometrie für Brennstoffzellenbetrieb aufrechterhalten wird, während die Lasten dafür gesteuert werden, Spannung und Energie aufrechtzuerhalten, um Brennstoffzellen-Selbsterwärmung zusammen mit thermischer Kopplung von Wärme aus dem Umrichter 514 und dem Heizelement 500 in die Brennstoffzelle zu ermöglichen. Während dieses Betriebs würde die Brennstoffzellenenergie 1008 weiter zunehmen, während sich die Brennstoffzelle aufwärmt. Wenn die Stapelenergie einen Schwellenenergiepegel erreicht, der der Zeit von 1018 entspricht, wird die Brennstoffzellen-Betriebsspannung von einem niedrigen Spannungspegel bei 1018 auf die normale Betriebsspannung der Brennstoffzelle bei 1020 vergrößert. An diesem Punkt ist das Fahrzeug wegfahrfähig und kann aus der Brennstoffzelle 512 und der Hochspannungsbatterie 544 betrieben werden.
