WO2021135095A1 - 一种电源系统及其阻抗测量和冷启动方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电源系统及其阻抗测量和冷启动方法。电源系统包括二次电源、电力装置、主功率输出模块以及单片电压巡检装置；二次电源的正极输出端分别与电力装置的输入端的正极和主功率输出模块的输入端的正极电连接，二次电源的负极输出端分别与电力装置的输入端的负极和主功率输出模块的输入端的负极电连接，电力装置设置成对二次电源施加电压扰动信号、或施加电流扰动信号或调控二次电源的输出功率；主功率输出模块设置成调控二次电源的主输出功率；单片电压巡检装置采集二次电源或每个电源单体的输出电压和输出电流。阻抗测量方法，能够提高二次电源和所有电源单体的阻抗测量精度。冷启动方法，能够实现二次电源的快速升温。

Description

一种电源系统及其阻抗测量和冷启动方法 技术领域

本申请涉及但不限于电源系统领域，具体地，涉及但不限于一种电源系统及其阻抗测量和冷启动方法。

背景技术

氢氧质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是一种电化学装置，直接将化学能转换为电能，传统内燃机能量转换受到卡诺循环限制，而氢氧质子交换膜燃料电池能量转换不受卡诺循环限制，理论上其能量转换效率更高。由于参与反应的物质为氢气和空气，反应产物为水，没有产生有害排放物，因此受到人们的青睐，逐渐应用于备用电站、交通运输和移动电源等领域。

燃料电池系统工作环境多变，对燃料电池系统提出很高要求，比如在冬天要实现零下温度时快速启动，在正常工作状态下尽可能维持较高系统效率，在停机过程中要监测燃料电池内部水含量来保证燃料电池低温存储和低温冷启动，在停机之后有外置电阻用于消耗渗透进入燃料电池堆(Fuel Cell Stack，FCS)的氧气以保证内部还原性环境，在启动、运行、停机和静态放置过程中延长燃料电池使用寿命。

氢质子交换膜燃料电池结构复杂，在微观结构内发生的上述物理化学过程更加复杂，这些都与水的含量和相态紧密相关，加之水测量技术难度大，目前研究燃料电池普遍借助阻抗频谱测量技术(已广泛应用于电化学领域)，得益于物理化学过程速率在不同结构层中各有不同且能够在电特性中有所体现。普遍认知是，低频段的阻抗频谱与扩散层内水含量相关，中高频段的阻抗频谱与催化剂层内水含量和反应物浓度相关，高频段的阻抗频谱与催化剂层和质子交换膜内影响质子传导电导率的水含量相关。燃料电池内水含量过多导致水淹现象而水含量过少导致干化现象，它们均使得燃料电池的输出性能下降，同时催化剂层和质子交换膜出现不同原因和程度的性能衰退现象(耐久性)。

在燃料电池停机和运行过程中，监测燃料电池阻抗是非常关键的技术。燃料电池交流阻抗测量需要与电力输出系统和单片电压巡检装置(Cell Voltage Monitor，CVM)紧密结合，可以实现燃料电池输出电压和电流的精确控制，阻抗测量装置会消耗部分功率，但这部分功率会转化为热量，采用风冷或水冷等方式将热量带走，以保证阻抗测量装置可靠运行。

将氢质子交换膜燃料电池应用于交通运输领域时，通常把上百片燃料电池单片串联在一起形成燃料电池堆，受氢气和氧气的配气管路的结构影响，单片与单片之间的性能差异和水含量差异始终存在着，而燃料电池堆性能和耐久性往往取决于性能最差的单片(短板效应)。为了提高燃料电池堆的性能和耐久性，要提供一种能够在车用环境下实时测量燃料电池所有单片的阻抗频谱的解决方案，其关键技术之一就是对燃料电池施加电流或电压激励信号，为研究和判断燃料电池单片内的水含量提供依据。

燃料电池电化学反应不断有水生成，在零下温度环境中，水以液态形式存在甚至会结冰。燃料电池对外输出功率伴随着内部有废热产生，当废热生成速率不足以使得燃料电池温度逐渐升高、反应生成水温度逐渐升高，反应生成水就有可能结冰导致燃料电池发生不可逆损伤，同时冷启动失败。燃料电池废热产生速率是靠调控燃料电池输出电流和输出电压实现的，此时燃料电池对外输出功率不能满足驱动整车行驶所需的功率，但要有负载来吸收这部分功率。受限于燃料电池对外输出功率和废热产生功率限制，燃料电池冷启动过程非常缓慢。

发明概述

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本申请提供了一种电源系统，所述电源系统包括二次电源、电力装置、主功率输出模块以及单片电压巡检装置；其中，所述二次电源包括多个电源单体；所述二次电源的正极输出端与所述电力装置的输入端的正极电连接，所述二次电源的负极输出端与所述电力装置的输入端的负极电连接，所述电力装置设置成在测量阻抗时对所述二次电源施加电压扰动信号、或施加电流 扰动信号或调控所述二次电源的输出功率，并且所述电力装置还设置成在所述电源系统冷启动过程中将产生的发热热量传递到所述二次电源或所述电源系统；所述二次电源的正极输出端与所述主功率输出模块的输入端的正极电连接，所述二次电源的负极输出端与所述主功率输出模块的输入端的负极电连接，所述主功率输出模块设置成调控所述二次电源的主输出功率；所述单片电压巡检装置设置成采集所述二次电源的输出电压和输出电流，或采集每个所述电源单体的输出电压和输出电流。

在一些实施方式中，所述电力装置可以包括电力装置控制器，所述电力装置控制器设置成控制所述电力装置的电流、电压、功率或电阻中的一种或多种。

在一些实施方式中，在所述电源系统停机之后，所述电力装置可以控制器控制所述电力装置为电阻模式。

在一些实施方式中，在冷启动时，所述电力装置还可以被设置成调整所述二次电源的自发热功率和对外输出功率，以调整所述二次电源的工作条件和工况。

在一些实施方式中，所述电力装置可以包括功率变换器和负载。

在一些实施方式中，所述二次电源的正极输出端可以与所述功率变换器的输入端的正极电连接，所述二次电源的负极输出端可以与所述功率变换器的输入端的负极电连接，所述功率变换器的输出端可以与所述负载电连接，可以通过控制所述功率变换器的输入电压对所述二次电源施加所述电压扰动信号，可以通过控制所述功率变换器的输入电流对所述二次电源施加所述电流扰动信号，可以通过所述功率变换器控制所述二次电源的输出电压和输出电流从而调控所述二次电源的输出功率。

在一些实施方式中，所述电源系统还可以包括冷却回路，所述二次电源还可以包括正极侧端板和负极侧端板。

在一些实施方式中，所述功率变换器可以设置于以下任意一处或任意多处：所述正极侧端板的外表面、所述负极侧端板的外表面、和所述冷却回路中；所述负载可以设置于以下任意一处或任意多处：所述正极侧端板的外表面、所述负极侧端板的外表面、和所述冷却回路中。

在一些实施方式中，所述电力装置可以包括功率变换器和加热器。

在一些实施方式中，所述二次电源的正极输出端可以与所述功率变换器的输入端的正极电连接，所述二次电源的负极输出端可以与所述功率变换器的输入端的负极电连接，所述功率变换器的输出端可以与所述加热器电连接，可以通过控制所述功率变换器的输入电压对所述二次电源施加所述电压扰动信号，可以通过控制所述功率变换器的输入电流对所述二次电源施加所述电流扰动信号，可以通过所述功率变换器控制所述二次电源的输出电压和输出电流从而调控所述二次电源的输出功率。

在一些实施方式中，所述电源系统还可以包括冷却回路，所述二次电源还可以包括正极侧端板和负极侧端板。

在一些实施方式中，所述功率变换器可以设置于以下任意一处或任意多处：所述正极侧端板的外表面、所述负极侧端板的外表面、和所述冷却回路中；所述加热器可以设置于所述冷却回路中。

在一些实施方式中，所述电力装置可以包括功率自耗散式可控电力电子装置。

在一些实施方式中，所述二次电源的正极输出端可以与所述功率自耗散式可控电力电子装置的输入端的正极电连接，所述二次电源的负极输出端可以与所述功率自耗散式可控电力电子装置的输入端的负极电连接，可以通过控制所述功率自耗散式可控电力电子装置的输入电压对所述二次电源施加所述电压扰动信号，可以通过控制所述功率自耗散式可控电力电子装置的输入电流对所述二次电源施加所述电流扰动信号，可以通过所述功率自耗散式可控电力电子装置控制所述二次电源的输出电压和输出电流从而调控所述二次电源的输出功率。

在一些实施方式中，所述电源系统还可以包括冷却回路，所述二次电源还可以包括正极侧端板和负极侧端板。

在一些实施方式中，所述功率自耗散式可控电力电子装置可以设置于以下任意一处或任意多处：所述正极侧端板的外表面、所述负极侧端板的外表面、和所述冷却回路中。

在一些实施方式中，所述功率自耗散式可控电力电子装置可以由金属氧化物半导体场效应晶体管组成。

在一些实施方式中，所述二次电源可以包括燃料电池堆、锂电池或超级电容器；所述电源单体可以包括燃料电池单片、锂电池单体或超级电容器单体。

本申请还提供了一种测量电源系统的阻抗的方法，所述电源系统包括二次电源、电力装置、主功率输出模块以及单片电压巡检装置；所述二次电源包括多个电源单体，将一个电源单体的正极或负极与相邻的另一个电源单体的负极或正极电连接，形成一个节点，从而实现所有电源单体燃料电池单片的串联；所述电力装置对所述二次电源施加电压扰动信号、施加电流扰动信号或调控所述二次电源的输出功率；将单片电压巡检装置的各连接线与二次电源的各节点分别电连接，分别测量各节点的电压值或电流值，以及燃料电池堆的电压值或电流值；通过测量得到的电压值和电流值，分别得到各电源单体和二次电源的阻抗值。

在一些实施方式中，所述电力装置可以包括功率变换器和负载。

在一些实施方式中，可以控制所述功率变换器的输入电压对所述二次电源施加所述电压扰动信号，可以控制所述功率变换器的输入电流对所述二次电源施加所述电流扰动信号，可以通过所述功率变换器控制所述二次电源的输出电压和输出电流从而调控所述二次电源的输出功率。

在一些实施方式中，所述电力装置可以包括功率变换器和加热器。

在一些实施方式中，可以控制所述功率变换器的输入电压对所述二次电源施加所述电压扰动信号，可以控制所述功率变换器的输入电流对所述二次电源施加所述电流扰动信号，可以通过所述功率变换器控制所述二次电源的输出电压和输出电流从而调控所述二次电源的输出功率。

在一些实施方式中，所述电力装置可以包括功率自耗散式可控电力电子装置。

在一些实施方式中，可以控制所述功率自耗散式可控电力电子装置的输入电压对所述二次电源施加所述电压扰动信号，可以控制所述功率自耗散式 可控电力电子装置的输入电流对所述二次电源施加所述电流扰动信号，可以通过所述功率自耗散式可控电力电子装置控制所述二次电源的输出电压和输出电流从而调控所述二次电源的输出功率。

在一些实施方式中，所述二次电源可以包括燃料电池堆、锂电池或超级电容器；所述电源单体可以包括燃料电池单片、锂电池单体或超级电容器单体。

本申请还提供了一种电源系统的冷启动方法，所述电源系统包括二次电源、电力装置、主功率输出模块、单片电压巡检装置以及冷却回路；所述电源系统在冷启动时，断开所述二次电源与所述主功率输出模块之间的电连接，开启所述二次电源与所述电力装置之间的电连接，将所述电力装置的电能转化为热能，提供给所述二次电源或所述电源系统；在冷启动时，控制所述电力装置还调整所述二次电源的自发热功率和对外输出功率，以调整所述燃料电池堆的工作条件和工况。

在一些实施方式中，二次电源的工作条件可以包括但不限于冷却介质进入二次电源温度、冷却介质流量等。当二次电源为燃料电池堆时，工作条件还可以包括但不限于过量空气系数、过量氢气系数、入堆空气压力、入堆空气温度、入堆氢气压力、入堆氢气温度、冷却介质入堆温度、冷却介质流量等。

在一些实施方式中，二次电源的工况可以包括但不限于二次电源的输出电流、输出电压、输出功率等。

在一些实施方式中，所述电力装置可以包括功率变换器和负载。

在一些实施方式中，可以将所述功率变换器和所述负载的电能转化为热能，提供给所述二次电源或所述电源系统。

在一些实施方式中，所述电力装置可以包括功率变换器和加热器。

在一些实施方式中，可以将所述功率变换器和所述加热器的电能转化为热能，提供给所述二次电源或所述电源系统。

在一些实施方式中，所述电力装置可以包括功率自耗散式可控电力电子装置。

在一些实施方式中，可以将所述功率自耗散式可控电力电子装置的电能转化为热能，提供给所述二次电源或所述电源系统。

在一些实施方式中，所述二次电源可以包括燃料电池堆、锂电池或超级电容器；所述电源单体可以包括燃料电池单片、锂电池单体或超级电容器单体。

本申请还提供了一种电源系统，所述电源系统包括二次电源、电力装置、主功率输出模块、单片电压巡检装置以及冷却回路；其中，所述二次电源包括多个电源单体、正极侧端板和负极侧端板；多个电源单体串联连接，一个电源单体的正极或负极与相邻的另一个电源单体的负极或正极电连接，形成一个节点；所述电力装置设置于以下任意一处或任意多处：所述正极侧端板的外表面、所述负极侧端板的外表面、和所述冷却回路中，所述二次电源的正极输出端与所述电力装置的输入端的正极电连接，所述二次电源的负极输出端与所述电力装置的输入端的负极电连接；所述电力装置包括扰动单元和热量传递单元，所述扰动单元设置成在测量阻抗时对所述二次电源施加电压扰动信号、或施加电流扰动信号或调控所述二次电源的输出功率；所述热量传递单元设置成在所述电源系统冷启动过程中将产生的发热热量传递到所述二次电源或所述电源系统；所述二次电源的正极输出端与所述主功率输出模块的输入端的正极电连接，所述二次电源的负极输出端与所述主功率输出模块的输入端的负极电连接，所述主功率输出模块设置成调控所述二次电源的主输出功率；所述单片电压巡检装置的各连接线与所述二次电源的各节点分别电连接；所述单片电压巡检装置设置成采集所述二次电源的输出电压和输出电流，或采集每个所述电源单体的输出电压和输出电流。

在一些实施方式中，所述电力装置可以包括电力装置控制器，所述电力装置控制器可以设置成控制所述电力装置的电流、电压、功率或电阻中的一种或更多种；以及在所述电源系统停机之后，可以控制所述电力装置为电阻模式。

在一些实施方式中，所述电力装置还可以包括功率调整单元，所述功率调整单元可以设置成在冷启动时，调整所述二次电源的自发热功率和对外输出功率，以调整所述二次电源的工作条件和工况。

在一些实施方式中，所述电力装置可以包括功率变换器和负载；所述二次电源的正极输出端可以与所述功率变换器的输入端的正极电连接，所述二次电源的负极输出端可以与所述功率变换器的输入端的负极电连接；所述功率变换器的输出端可以与所述负载电连接；所述功率变换器的输入电压变化时，可以对所述二次电源施加所述电压扰动信号；所述功率变换器的输入电流变化时，可以对所述二次电源施加所述电流扰动信号；所述功率变换器可以设置成通过控制所述二次电源的输出电压和输出电流来调控所述二次电源的输出功率。

在一些实施方式中，所述功率变换器可以设置于以下任意一处或任意多处：所述正极侧端板的外表面、所述负极侧端板的外表面、和所述冷却回路中；所述负载可以设置于以下任意一处或任意多处：所述正极侧端板的外表面、所述负极侧端板的外表面、和所述冷却回路中。

在一些实施方式中，所述电力装置可以包括功率变换器和加热器；所述二次电源的正极输出端可以与所述功率变换器的输入端的正极电连接，所述二次电源的负极输出端可以与所述功率变换器的输入端的负极电连接；所述功率变换器的输出端可以与所述加热器电连接；所述功率变换器的输入电压变化时，可以对所述二次电源施加所述电压扰动信号；所述功率变换器的输入电流变化时，可以对所述二次电源施加所述电流扰动信号；所述功率变换器设置成可以通过控制所述二次电源的输出电压和输出电流来调控所述二次电源的输出功率。

在一些实施方式中，所述功率变换器可以设置于以下任意一处或任意多处：所述正极侧端板的外表面、所述负极侧端板的外表面、和所述冷却回路中；所述加热器可以设置于所述冷却回路中。

在一些实施方式中，所述电力装置可以包括功率自耗散式可控电力电子装置；所述二次电源的正极输出端可以与所述功率自耗散式可控电力电子装置的输入端的正极电连接，所述二次电源的负极输出端可以与所述功率自耗散式可控电力电子装置的输入端的负极电连接；所述功率自耗散式可控电力电子装置的输入电压变化时，可以对所述二次电源施加所述电压扰动信号；所述功率自耗散式可控电力电子装置的输入电流变化时，可以对所述二次电 源施加所述电流扰动信号；所述功率自耗散式可控电力电子装置可以设置成通过控制所述二次电源的输出电压和输出电流来调控所述二次电源的输出功率。

在一些实施方式中，所述功率自耗散式可控电力电子装置可以设置于以下任意一处或任意多处：所述正极侧端板的外表面、所述负极侧端板的外表面、和所述冷却回路中；所述功率自耗散式可控电力电子装置可以由金属氧化物半导体场效应晶体管组成。

在一些实施方式中，所述二次电源可以包括燃料电池堆、锂电池或超级电容器；所述电源单体包括燃料电池单片、锂电池单体或超级电容器单体。

与现有技术相比，本申请具有的有益效果在于：

(1)本申请提供的电源系统中的电力装置能够快速精确地控制二次电源的输出特性，例如：输出电流、输出电压、输出功率等，从而提高了电源系统的可控性；

(2)本申请提供的阻抗测量方法，能够利用电力装置精确地对二次电源施加电压扰动信号或对二次电源施加电流扰动信号，精准的电压或电流控制能够提高二次电源和所有的电源单体的阻抗测量精度；

(3)本申请提供的快速冷启动方法，能够利用电力装置所转换的能量，有效传递给二次电源，实现二次电源的快速升温。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图概述

附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请的燃料电池堆结构示意图；

图2为本申请的燃料电池堆负极输出侧结构示意图；

图3为本申请的燃料电池堆正极输出侧结构示意图；

图4为本申请的燃料电池堆与单片电压巡检装置连接示意图；

图5为本申请的燃料电池系统的冷却回路结构示意图；

图6A-图6B为本申请实施例一的燃料电池系统结构示意图；

图7A-图7D为本申请实施例二的燃料电池系统结构示意图；

图8A-图8D为本申请实施例三的燃料电池系统结构示意图；

图9A-图9D为本申请实施例四的燃料电池系统结构示意图。

图中：1.燃料电池堆；2.燃料电池单片；3.正极侧端板；4.负极侧端板；5.负极集流板；6.负极输出端；7.第三介质；8.正极集流板；9.正极输出端；10.第四介质；11.单片电压巡检装置；12.电力装置；13.主功率输出；14.功率变换器；15.负载；16.第五介质；17.第六介质；18.第一导热体；19.第一冷却腔体；20.第三接口；21.第四接口；22.第七介质；23.加热器；24.第八介质；25.第九介质；26.第二导热体；27.第二冷却腔体；28.第五接口；29.第六接口；30.第十介质；31.功率自耗散式可控电力电子装置；32.第十一介质；33.第十二介质；34.第三导热体；35.第三冷却腔体；36.第七接口；37.第八接口；38.第十三介质；501.第一冷却回路；502.第一接口；503.第二接口；504.第一流量计；505.三通阀；506.外部加热器；507.汇合点；508.第二电磁阀；509.第一电磁阀；510.换热器；511.散热器；512.其他部件；513.第二冷却回路；514.容箱；515.第二流量计；516.水泵；517.传感器；518.内部冷却回路。

详述

下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围，均应涵盖在本申请的权利要求范围当中。

目前监测燃料电池阻抗的方法主要有如下几种。

方案一：在燃料电池正负极的两端额外并联一个小型功率可控装置，在燃料电池堆的正常工作状态下(控制功率负载实现)，通过控制小型功率可控装置的输入电流对燃料电池堆的所有单片同时施加电流扰动信号，输入电流幅值和频率都是可控的，利用燃料电池堆单片电压和电流同步采集技术实现信号采集，利用数字信号处理技术实现阻抗计算。

方案一的不足之处在于，额外的小功率可控装置增加了燃料电池系统体积、系统重量、系统成本和系统复杂程度，小功率可控装置运行时有功率消耗导致燃料电池系统效率降低，这是燃料电池系统应用时不愿意接受的。

方案二：一种高精密电压电流调控和测量装置，以较少片数的燃料电池堆中的单片作为测量对象，利用两个电气夹紧装置(比如夹钳)与燃料电池单片的正极和负极分别相连，利用集成式的电流或电压调控模块对燃料电池单片施加电压扰动或者电流扰动，利用电压和电流精密测量模块同步采集燃料电池单片电压和电流，利用数字信号处理技术实现阻抗计算。

方案二的不足之处在于，交通运输领域使用的燃料电池堆的单片片数高达数百片，其单片正极与燃料电池堆负极间电压、单片负极与燃料电池负极间电压容易高达数百伏特，超过了高精密电压电流调控和测量装置的耐受电压范围，在车载应用环境中难以实现所有单片阻抗频谱的测量，高精密电压电流调控和测量装置的成本也是难以接受的，车载应用环境高湿度、冷热交替、机械振动和电磁噪声等外界干扰都不利于提高测量精度。很显然，方案二的燃料电池系统的能量利用效率低于方案二的效果。

目前的方案具有的共同不足之处在于，在低温环境冷启动燃料电池时，不能将燃料电池产生的全部能量用于加热燃料电池，也就不能实施燃料电池以更快的速度升温。在此所述全部能量是，燃料电池电化学反应生成的总能量减去燃料电池零部件热传导和辐射散热导致的能量损失。一种变形的形式是，燃料电池在低温环境冷启动过程中，将燃料电池的有效输出电能，存储于电能吸收释放装置，当负载有功率需求时，再从电能吸收释放装置中抽取能量，但能量存储和释放存在效率损失。另一种变形的形式是，燃料电池在低温环境冷启动过程中，电能吸收释放装置先释放电能给电加热器，电加热器将电能转化为热能，电加热器通过介质将热能传递给燃料电池，当燃料电 池升温到预期温度后，再启动燃料电池，加热时间长度取决于电能吸收释放装置和加热器的能量转化功率和效率、电能吸收释放装置存储能量、介质比热容和介质总质量、介质界面热传导系数等。

上述提到的方法具有的不足之处不仅在燃料电池系统中存在，同时也存在于其它电源系统，包括锂电池、超级电容器等。

本申请实施例提供了一种电源系统及其阻抗测量和冷启动方法。

本申请实施例的二次电源包括燃料电池堆、锂电池或超级电容器等；电源单体包括燃料电池单片、锂电池单体或超级电容器单体等。

本申请实施例以燃料电池系统为例进行说明。燃料电池系统可以包括燃料电池堆、电力装置、主功率输出模块、单片电压巡检装置、冷却回路等。

如图1所示，本申请实施例的燃料电池堆1可以由一定数量的燃料电池单片2串联而成。每个燃料电池单片2具有一个正极和一个负极，每个燃料电池单片2的正极与相邻燃料电池单片2的负极相连，每个燃料电池单片2的负极与相邻燃料电池单片2的正极相连，例如，可以通过双极板结构进行相连。取燃料电池堆1内单片数量为N，第1片燃料电池单片2的负极与第2片燃料电池单片2的正极相连，依次类推到第N-1片燃料电池单片2的负极与第N片燃料电池单片2的正极相连。根据实际需要，可以在第1片燃料电池单片2的正极外侧与燃料电池的正极集流板8之间放置不同介质；与之相对应，根据实际需要，可在第N片燃料电池单片2的负极外侧与燃料电池的负极集流板5之间放置不同介质。集流板与所有燃料电池单片2串联在一起形成电子传导路径，在燃料电池单片2内有电化学反应发生且外界有负载时，向外界输出功率。

如图2所示，燃料电池的负极集流板5配备有负极输出端6，用于与外界负载线束连接。如图3所示，燃料电池的正极集流板8配有正极输出端9，用于与外界负载线束连接。

为固定所有燃料电池单片2和集流板，需要在燃料电池的正极集流板8和负极集流板5外侧分别安装端板，分别为燃料电池的正极侧端板3、燃料电池的负极侧端板4。根据实际需要，可在负极侧端板4与燃料电池的负极集流板5之间放置不同介质，统称为第三介质7，如图2所示。与之相对应， 根据实际需要，可在正极侧端板3与燃料电池的正极集流板8之间放置不同介质，统称为第四介质10，如图3所示。

如图4所示，在每个燃料电池单片2的正极和负极分别引出一根导电线，根据燃料电池单片2的串联结构可知，燃料电池堆1总共需要N+1根导电线。同样地，本申请实施例的单片电压巡检装置11有N+1根电线束，燃料电池堆1的N+1根导电线按顺序与单片电压巡检装置11的N+1个电线束依次连接。两根导电线之间的电压差为两根导线间的燃料电池单片2的输出电压，即为该燃料电池单片2的电压。利用单片电压巡检装置11，可实时测量所有燃料电池单片2的输出电压。

本申请实施例的主功率输出模块包括直流/直流变换器、直流/交流变换器、牵引电机逆变器等。燃料电池堆的正极输出端9与主功率输模块的正极电连接，燃料电池堆的负极输出端6与主功率输出模块的负极电连接。

本申请实施例的冷却回路结构可以包括但不限于如图5所示。冷却回路采用第一冷却介质，第一冷却介质流经的全部管(除燃料电池堆内部冷却回路518以外)，统称为第一冷却回路501，第一冷却回路501和燃料电池堆1的内部冷却回路518有两个接口，即第一接口502和第二接口503。

第一冷却介质从第一接口502进入燃料电池堆1的内部冷却回路518，带走燃料电池堆1内部产生的热量，再从第二接口503离开燃料电池堆1，第二接口503处第一冷却介质的温度高于第一接口502处第一冷却介质的温度。第一冷却介质流经第一流量计504，用于测量第一冷却介质的瞬时流量，再到达三通阀505(也可以是节温器)。经过三通阀505时第一冷却介质有两条流动路径：第一条是第一冷却介质流经三通阀505到达外部加热器506，外部加热器506可以给第一冷却介质加热，再到达汇合点507；第二条是第一冷却介质流经三通阀505到达第二电磁阀508(此时第二电磁阀508导通、第一电磁阀509关闭)，再流经换热器510到达散热器511(当不需要流经换热器510时，第一电磁阀509导通、第二电磁阀508关闭)。换热器510与其他部件512(或其他系统)形成第二冷却回路513，并采用第二冷却介质，在换热器510内第二冷却介质和第一冷却介质之间有温度差时，实现热量从第二冷却介质进入第一冷却介质或从第一冷却介质进入第二冷却介质。

第一冷却介质到达散热器511，若开启散热风扇，可对流经散热器511的第一冷却介质强制进行散热降温处理，因此，第一冷却介质流经散热器511后温度降低。降温后的第一冷却介质流经容箱514、第二流量计515和水泵516，容箱514给第一冷却回路501提供压力参考点(环境压力)和排出第一冷却回路501中渗透进入的气体，第二流量计515测量第一冷却介质的瞬时流量，水泵516用于控制第一冷却介质在第一冷却回路501内的体积流量或质量流量、控制第一接口502处第一冷却介质的压力。最后，第一条流动路径内的第一冷却介质与第二条流动路径内的第一冷却介质在汇合点507处进行汇合。

在整个第一冷却回路501中，可根据需要安装一定数量的温度和压力传感器517，用于测量第一冷却介质在不同位置的温度和压力。图5只是本申请实施例的冷却回路结构中的一种代表性结构，本申请的冷却回路并不仅限于上述结构布置、部件组成和部件数量，例如，水泵516可以安装在第一流量计504与三通阀505之间，或者第一流量计504和第二流量计515可以只选择一个使用，或者在汇合点507和水泵516之间可以再安装一个电磁阀等。

为解决零下温度时快速冷启动问题，当第一冷却介质温度很低时，首先让第一冷却介质仅流经第二接口503、第一流量计504、三通阀505、外部加热器506、汇合点507和第一接口502，称为小循环回路。在小循环回路内第一冷却介质容量小，燃料电池堆1发热能够较快加热小循环回路内的第一冷却介质，使得第一冷却介质温度不断升高，燃料电池输出功率也在不断变化。当小循环回路内第一冷却介质温度达到某温度值时，缓慢控制或者自动实现三通阀505开度变化，使得第一冷却介质开始流经第一接口503、第一流量计504、三通阀505、第一电磁阀509或第二电磁阀508和换热器510、散热器511、容箱514、第二流量计515、水泵516、汇合点517和第一接口502，称为大循环回路。由于大循环回路内第一冷却介质容量很大，因此大循环回路内第一冷却介质温度只能够缓慢升高，此时燃料电池输出功率也在不断变化。随着大循环回路内第一冷却介质温度逐渐升高，缓慢控制或者自动实现三通阀505开度变化，使得大循化回路内第一冷却介质流量逐渐增加，而小循环回路内第一冷却介质流量逐渐减小。当大循环回路内第一冷却介质温度 达到某温度值时，可完全关闭小循环回路。

本申请实施例的电力装置12与燃料电池堆1的正极输出端9和负极输出端6直接进行电气连接，通过控制电力装置12的输入电压从而对燃料电池堆1施加电压扰动信号，通过控制电力装置12的输入电流从而对燃料电池堆1施加电流扰动信号，通过电力装置12控制燃料电池堆1的输出电压和输出电流从而调控燃料电池堆1的输出功率。以电压扰动信号或电流扰动信号为目标，主动控制电力装置12内的可控元器件，例如，利用实验法、模型分析法等方法控制电力装置12内的可控元器件。同步采集电压扰动信号与电流响应信号，或者同步采集电流扰动信号与电压响应信号，从而完成阻抗测量。

本申请实施例中运用电力装置12能够实现电能转化为热能，并将热能合理利用，使得低温下燃料电池堆1能快速冷启动。同时，电力装置12的功率低于主功率输出模块13的功率，电力装置12功率低时电压或电流控制精度和动态响应能力显著提升。

与现有的电力装置相比，本申请实施例的电力装置12的功率绝大部分转换为用于燃料电池系统冷启动过程中对燃料电池堆1进行加热的热能，从而使得低温下燃料电池堆1能快速冷启动。现有的电力装置的功率承受能力有限，流经现有的电力装置的电功率主要提供给燃料电池系统的辅助零部件，用于驱动辅助零部件，要求电力装置的电力转换效率高、功率损失少。因此在冷启动过程中，现有的电力装置无法实现燃料电池堆的实际功率(冷启动过程中)的较宽范围的调节，较低的发热量也不足以对燃料电池系统冷启动过程的系统升温产生影响。

本申请实施例中的电力装置12可以包括功率变换器14和负载15。电力装置12中的功率变换器14效率往往很高，只有一部分电能因为功率变换器14效率损失而转化为热能，发热量有限。实现电能转化为热能主要来自于负载15，负载15能够实现全部电能转化为热能，使得负载15温度升高。负载15与燃料电池堆1之间构成热传递路径，当负载15温度比燃料电池堆1温度高时，热量自发地从负载15传递到燃料电池堆1，实现燃料电池堆1升温。功率变换器14和负载15均可设置成一个或多个，可以在正极侧端板3外和负极侧端板4外均设置功率变换器14，也可以在正极侧端板3外和负极侧端 板4外均设置负载15。可以将功率变换器14、负载15设置在以下任意一处或任意多处：正极侧端板3的外表面、负极侧端板4的外表面、和冷却回路中。电力装置12中功率变换器14的数量、体积影响到燃料电池堆1的集成和控制难度，减少功率变换器14的数量，降低燃料电池堆1的集成和控制难度。

本申请实施例中的电力装置还可以包括功率变换器14和加热器23。将功率变换器与加热器相结合，功率变换器对燃料电池堆施加电压扰动信号或电流扰动信号并用于阻抗测量，加热器发挥负载的作用；同时可运用加热器消耗功率变换器输出的电能并将电能转化为热能，加热器布置于冷却回路中可直接加热冷却回路中的冷却介质，借助冷却回路实现热能从冷却介质传递到燃料电池堆，从而加热燃料电池堆，实现了电能到热能的转化，加速燃料电池堆的冷启动过程。更有利地，可精确控制和灵活调整冷启动过程中燃料电池堆的输出功率、输出电流和输出电压；并且，加热器与功率变换器相结合，不影响燃料电池堆的集成。

本申请实施例中的电力装置还可以包括功率自耗散式可控电力电子装置31。常规的功率变换器仅仅发挥电力变换的作用(电压调整或电流调整)、仅仅由于效率损失而导致一部分电能被转化为热能，与之对比，功率自耗散式可控电力电子装置利用装置本身实现将电能全部转化为热能，不需要对外输出电功率、不需要额外加热器、不需要额外负载，有助于简化系统实施方案、降低控制难度、降低系统成本。

本申请实施例在实现阻抗测量时，电压扰动或电流扰动控制精度高、动态响应快。电力装置功率越低，则电压或电流控制精度越高、动态响应越快。在冷启动过程中，粗糙的电压和电流控制严重影响燃料电池堆使用寿命，本申请实施例有效避免了上述问题。

现有的加热器加快冷启动主要借助冷却回路实现燃料电池堆整体升温，属于外部辅助加热模式的燃料电池冷启动，无法避免燃料电池冷启动过程中的端板效应(燃料电池堆端板温度低于燃料电池堆中间区域的燃料电池单片温度，限制了燃料电池堆冷启动能力)。本申请实施例采用给的电力装置兼顾了燃料电池堆整体升温和燃料电池堆端板升温，属于自启动模式的燃料电 池冷启动，同时尽可能将燃料电池堆电化学反应过程释放的能量全部用于燃料电池堆快速升温，有助于调整燃料电池堆电输出，取得了良好的升温效果。

实施例1

如图6A所示，燃料电池堆1的正极输出端9与主功率输出模块13的输入端的正极相连，与电力装置12的输入端的正极相连；燃料电池堆1的负极输出端6与主功率输出模块13的输入端的负极相连，与电力装置12的输入端的负极相连。电力装置12与主功率输出模块13共享燃料电池堆1输出电压。

如图6B所示，用电力装置12对燃料电池堆1施加电压扰动信号或电流扰动信号，采用单片电压巡检装置11同步采集燃料电池堆1的输出电压和输出电流，同步采集燃料电池单片2的输出电压和输出电流，利用阻抗分析技术，得到燃料电池堆1和燃料电池单片2的阻抗。

电力装置12配备有控制器(图中未示出)，电力装置12的控制模式包括控制电流、电压、功率、电阻中的至少一种；在燃料电池系统停机之后，可以控制电力装置12为电阻模式，实现电阻模式根据电力装置12的结构而确定，使燃料电池堆1的输出端始终连接有电阻性装置，用于消耗进入燃料电池堆1内的氧气。

电力装置12的输入功率是电力装置12的输入电压与电力装置12的输入电流的乘积，输入功率对时间累积得到输入能量Q1，电力装置12将输入能量转化为发热热量，将发热热量Q2传递给燃料电池堆1用于提高燃料电池堆1的温度，将发热热量Q3传递给燃料电池的内部冷却回路518，用于提高燃料电池内部冷却回路518的温度，将发热热量Q4传递到环境和其他部件，并且输入能量Q1是发热热量Q2、Q3和Q4三者之和。

在冷启动过程中，不开启主功率输出模块13而只开启电力装置12，利用电力装置12灵活控制燃料电池堆1的输出电压和输出电流，燃料电池堆1的有效输出功率和输入能量Q1传递给电力装置12，燃料电池堆1的废热用于燃料电池堆1自身的加热。将电力装置12的发热热量传递给燃料电池堆1和燃料电池的内部冷却回路518，实现燃料电池堆1和燃料电池内部冷却回路518的快速升温。当电力装置12不具有负载15时，电力装置12将输入能 量转化为自发热热量，可将自发热热量传递给内部冷却回路518中的第一冷却介质，也可传递给燃料电池的正极侧端板3、负极侧端板4、或其二者；当电力装置12带有负载15时，电力装置工作有自发热热量，负载15将电力装置12的输出功率转化为自发热热量，一方面可将电力装置12的自发热热量传递给内部冷却回路518中的第一冷却介质，也可将电力装置12的自发热热量传递给正极侧端板3、负极侧端板4、或其二者，另一方面还可将负载15的自发热热量传递给内部冷却回路518的第一冷却介质，也可将负载15的自发热热量传递给正极侧端板3、负极侧端板4、或其二者。

电力装置12在正极侧端板3和负极侧端板4表面的布置和安装方式多样化，可以不作限定；电力装置12与燃料电池内部冷却回路518间的热传递方式和结构布置方式多样化，安装方式多样化，也可以不作限定。冷却回路的结构和冷却介质的选择也不限定于仅选择符合燃料电池要求的。

实施例2

如图7A所示，电力装置12包括功率变换器14和负载15，燃料电池堆1的正极输出端9与主功率输出模块13的输入端的正极相连，与功率变换器14的输入端的正极相连；燃料电池堆1的负极输出端6与主功率输出模块13的输入端的负极相连，与功率变换器14的输入端的负极相连。功率变换器14的输出端与负载15相连，负载可以是电阻等具有耗电能力的装置。功率变换器14与主功率输出模块13共享燃料电池堆1输出电压。

通过控制功率变换器14的输入电压可对燃料电池堆1施加电压扰动信号，通过控制功率变换器14的输入电流可对燃料电池堆1施加电流扰动信号。功率变换器14的输入功率等于燃料电池堆1的输出电压与功率变换器14输入电流的乘积，功率变换器14将输入功率的一部分转化为自发热热量，一部分传递给负载15，利用负载15将该部分的输入功率转化为热量。

通过单片电压巡检装置11同步测量燃料电池堆1的输出电压和输出电流，根据阻抗分析技术，得到燃料电池堆1的阻抗；通过单片电压巡检装置11同步测量燃料电池单片2的输出电压和输出电流，根据阻抗分析技术，得到燃料电池单片2的阻抗。功率变换器14可以是隔离型变换器或非隔离型变换器，功率变换器14的输出可以是直流或者交流。

为利用功率变换器14的自发热热量实现燃料电池的快速冷启动，如图7B所示，可将功率变换器14放置在燃料电池的负极侧端板4的表面。为实现电压隔离和热传导，可以在功率变换器14与负极侧端板4之间放置第五介质16，可以根据需要选择第五介质16的材料、种类和层数等。某些使用情况下，也可以不放置第五介质16。当功率变换器14工作时，功率变换器14的温度快速升高，与负极侧端板4之间形成温度差，实现热量从功率变换器14、第五介质16传递到负极侧端板4，再从第三介质7传递到燃料电池单片2。类似地，可将负载15放置在负极侧端板4的表面，并用第五介质16将负载15与负极侧端板4进行电压隔离和实现热传导。负载15与功率变换器14可以共用第五介质16，也可以各自使用不同的介质，在此不作限定。

为利用功率变换器14的自发热热量实现燃料电池快速冷启动，如图7C所示，还可以将功率变换器14放置在燃料电池的正极侧端板3的表面。为实现电压隔离和热传导，需要在功率变换器14与正极侧端板3之间放置第六介质17，可以根据需要选择第六介质17的材料、种类和层数等。某些使用情况下，也可以不放置第六介质17。当功率变换器14工作时，功率变换器14的温度快速升高，与正极侧端板3之间形成温度差，实现热量从功率变换器14、第六介质17传递到正极侧端板3，再从第四介质10传递到燃料电池单片2。类似地，可将负载15放置在正极侧端板3表面，并用第六介质17将负载15与正极侧端板3进行电压隔离和实现热传导。负载15与功率变换器14可以共用第六介质17，也可以各自使用不同的介质，在此不作限定。

为利用功率变换器14的自发热热量实现燃料电池快速冷启动，如图7D所示，可将燃料电池第一冷却回路501中的第一冷却介质流经功率变换器14的专用的第一导热体18，在第一导热体18的内部有供第一冷却介质流动的管路(第一冷却腔体19)，第一导热体18具有良好的导热能力。在第一导热体18内，第一冷却腔体19具有第三接口20和第四接口21，用于与第一冷却回路501进行连接，第一导热体18可以安装在燃料电池第一冷却回路501的任意位置，例如，可安装在三通阀505与汇合点507之间。可以根据实际应用要求来确定第一导热体18放置的位置，在此不作限定。为实现电压隔离和热传导，需要在第一导热体18与功率变换器14之间放置第七介质22， 可以根据需要选择第七介质22的材料、种类和层数等。某些使用情况下，也可以不放置第七介质22。当功率变换器14工作时，功率变换器14的温度快速升高，与第一导热体18和第一冷却介质之间形成温度差，实现功率变换器14的自发热热量从功率变换器14、第七介质22和第一导热体18传递到第一冷却介质。当第一冷却介质循环流动时，能够快速加热循环回路中的第一冷却介质，提高第一冷却介质的温度，循环回路可以是小循环回路、大循环回路、或其二者。类似地，可将燃料电池第一冷却回路501中的第一冷却介质流经负载15的专用导热体，其结构和功能与功率变换器14的第一导热体18类似。负载15和功率变换器14可以共用第七介质22，也可以各自使用不同的介质，在此不作限定。负载15与功率变换器14可以共用功率变换器14的第一导热体18，也可以各自使用不同的导热体，在此不作限定。

将功率变换器14的自发热热量和负载15的发热量传导到燃料电池堆1和燃料电池内部冷却回路518不仅限于上述三种方法，其他直接或间接传热方式也是可以的，根据实际系统特性，合理选择热量传递方式，在此不作限定。功率变换器14和负载15与燃料电池堆1和燃料电池冷却回路的放置位置和安装方式多样化，在此不作限定。通过合理设计功率变换器14的结构，使得在燃料电池系统停机之后，负载15能够与燃料电池堆1直接或间接相连，使燃料电池堆1的输出端连接有电阻性装置，用于消耗进入燃料电池堆1内的氧气。

实施例3

如图8A所示，电力装置12包括功率变换器14和加热器23，燃料电池堆1的正极输出端9与主功率输出模块13的输入端的正极相连，与功率变换器14的输入端的正极相连；燃料电池堆1的负极输出端6与主功率输出模块13的输入端的负极向量，与功率变换器14的输入端的负极相连。功率变换器14的输出端与加热器23相连。功率变换器14的与主功率输出模块13共享燃料电池堆1输出电压。

通过控制功率变换器14的输入电压可对燃料电池堆1施加电压扰动信号，通过控制功率变换器14的输入电流可对燃料电池堆1施加电流扰动信号。功率变换器14输入功率等于燃料电池堆1输出电压与功率变换器14输入电流 的乘积，功率变换器14将输入功率的一部分转化为自发热热量，一部分传递给加热器23用于给加热器23升温。

通过单片电压巡检装置11同步测量燃料电池堆1的输出电压和输出电流，根据阻抗分析技术，得到燃料电池堆1的阻抗；还可以通过单片电压巡检装置11同步测量燃料电池单片2的输出电压和输出电流，根据阻抗分析技术，得到燃料电池单片2的阻抗。功率变换器14可以是隔离型变换器或非隔离型变换器，功率变换器14的输出可以是直流或者交流。

为利用功率变换器14的自发热热量实现燃料电池快速冷启动，如图8B所示，可将功率变换器14放置在燃料电池负极侧端板4的表面。为实现电压隔离和热传导，需要在功率变换器14与负极侧端板4之间放置第八介质24，可以根据需要选择第八介质24的材料、种类和层数等。某些使用情况下，也可以不放置第八介质24。当功率变换器14工作时，功率变换器14的温度快速升高，与负极侧端板4之间形成温度差，实现功率变换器14的自发热热量从功率变换器14、第八介质24传递到负极侧端板4，再从第三介质7传递到燃料电池单片2。

为利用功率变换器14的自发热热量实现燃料电池快速冷启动，如图8C所示，可将功率变换器14放置在燃料电池正极侧端板3的表面。为实现电压隔离和热传导，需要在功率变换器14与正极侧端板3之间放置第九介质25，可以根据需要选择第九介质25的材料、种类和层数等。某些使用情况下，也可以不放置第九介质25。当功率变换器14工作时，功率变换器14的温度快速升高，与正极侧端板3之间形成温度差，实现功率变换器14的自发热热量从功率变换器14、第九介质25传递到正极侧端板3，再从第四介质10传递到燃料电池单片2。

为利用功率变换器14的自发热热量实现燃料电池快速冷启动，如图8D所示，可将燃料电池第一冷却回路501中的第一冷却介质流经功率变换器14的专用的第二导热体26，在第二导热体26的内部有供第一冷却介质的流动的管路(第二冷却腔体27)，第二导热体26具有良好的导热能力。在第二导热体26内，第二冷却腔体27具有第五接口28和第六接口29，用于与第一冷却回路501进行连接，第二导热体26可以安装在燃料电池第一冷却回路 501的任意位置，可以根据实际系统应用要求来确定第二导热体26的放置位置，在此不作限定。为实现电压隔离和热传导，需要在第二导热体26与功率变换器14之间放置第十介质30，可以根据需要选择第十介质30的材料、种类和层数等。某些使用情况下，也可以不放置第十介质30。当功率变换器14工作时，功率变换器14的温度快速升高，与第二导热体26和第一冷却介质之间形成温度差，实现功率变换器14的自发热热量从功率变换器14、第十介质30和第二导热体26传递到第一冷却介质中。当第一冷却介质循环流动时，能够快速加热循环回路中的第一冷却介质，提高冷却介质温度，循环回路可以是小循环回路和或大循环回路。

将功率变换器14的自发热热量传导到燃料电池堆1和燃料电池内部冷却回路518不仅限于上述三种方法，其他直接或间接传热方式也是可以的，根据实际系统特性，合理选择热量传递方式，在此不作限定。功率变换器14与燃料电池堆1和燃料电池冷却回路的放置位置和安装方式多样化，在此不作限定。

可以将加热器23直接放置在燃料电池系统的第一冷却回路501中，用于快速加热第一冷却介质，使得第一冷却介质的温度不断升高。也可以采用其他直接或间接热传递方式，将加热器23生成的热量传递到第一冷却介质中，在此不作限定。加热器23可以在燃料电池系统的第一冷却回路501的任意位置放置，可以根据实际应用需求，合理选择加热器23的类型和安装位置，在此不作限定。通过合理设计功率变换器14的结构，使得在燃料电池系统停机之后，加热器23能够与燃料电池堆1直接或间接相连，使燃料电池堆1的输出端连接有电阻性装置，用于消耗进入燃料电池堆内的氧气。

实施例4

如图9A所示，电力装置12包括功率自耗散式可控电力电子装置31，燃料电池堆1的正极输出端9与主功率输出模块13的输入端的正极相连，与功率自耗散式可控电力电子装置31的输入端的正极相连；燃料电池堆1的负极输出端6与主功率输出模块13的输入端的负极相连，与功率自耗散式可控电力电子装置31的输入端的负极相连。功率自耗散式可控电力电子装置31与主功率输出模块13共享燃料电池堆1的输出电压。

通过控制功率自耗散式可控电力电子装置31的输入电压可对燃料电池堆1施加电压扰动信号，通过控制功率自耗散式可控电力电子装置31的输入电流可对燃料电池堆1施加电流扰动信号。功率自耗散式可控电力电子装置31的输入功率等于燃料电池堆1的输出电压与功率自耗散式可控电力电子装置31的输入电流的乘积，功率自耗散式可控电力电子装置31将输入功率转化为自发热热量。

通过单片电压巡检装置11同步测量燃料电池堆1的输出电压和输出电流，根据阻抗分析技术，得到燃料电池堆1的阻抗；还可以通过单片电压巡检装置11同步测量燃料电池单片2的输出电压和输出电流，根据阻抗分析技术，得到燃料电池单片2的阻抗。特别地，功率自耗散式可控电力电子装置31可以是由金属氧化物半导体场效应晶体管组成的功率耗散电路，也可以采用其他类型的功率半导体器件实现功率自耗散功能。

为了利用功率自耗散式可控电力电子装置31的自发热热量实现燃料电池快速冷启动，如图9B所示，可将功率自耗散式可控电力电子装置31放置在燃料电池负极侧端板4表面。为实现电压隔离和热传导，需要在功率自耗散式可控电力电子装置31与负极侧端板4之间放置第十一介质32，可以根据需要选择第十一介质32的材料、种类和层数等。某些使用情况下，也可以不放置第十一介质32。当功率自耗散式可控电力电子装置31工作时，功率自耗散式可控电力电子装置31的温度快速升高，与负极侧端板4之间形成温度差，实现功率自耗散式可控电力电子装置31的自发热热量从功率自耗散式可控电力电子装置31、第十一介质32传递到负极侧端板4，再从第三介质7传递到燃料电池单片2。

为了利用功率自耗散式可控电力电子装置31的自发热热量实现燃料电池快速冷启动，如图9C所示，可将功率自耗散式可控电力电子装置31放置在燃料电池正极侧端板3表面。为实现电压隔离和热传导，需要在功率自耗散式可控电力电子装置31与正极侧端板3之间放置第十二介质33，可以根据需要选择第十二介质33的材料、种类和层数等。某些使用情况下，也可以不放置第十二介质33。当功率自耗散式可控电力电子装置31工作时，功率自耗散式可控电力电子装置31的温度快速升高，与正极侧端板3之间形成温 度差，实现功率自耗散式可控电力电子装置31的自发热热量从功率自耗散式可控电力电子装置31、第十二介质33、传递到正极侧端板3，再从第四介质10传递到燃料电池单片2。

为利用功率自耗散式可控电力电子装置31自发热热量实现燃料电池快速冷启动，如图9D所示，可将燃料电池第一冷却回路501中的第一冷却介质流经功率自耗散式可控电力电子装置31的专用的第三导热体34，在第三导热体34的内部具有供第一冷却介质流动的管路(第三冷却腔体35)，第三导热体34具有良好的导热能力。在功率自耗散式可控电力电子装置31专用导热体3内，第三冷却腔体35具有第七接口36和第八接口37，用于与第一冷却回路501进行连接，第三导热体34可以安装在燃料电池第一冷却回路501的任意位置，可以根据实际系统应用要求来确定第三导热体34的放置位置，在此不作限定。为实现电压隔离和热传导，需要在第三导热体34与功率自耗散式可控电力电子装置31之间放置第十三介质38，可以根据需要选择第十三介质38的材料、种类和层数等。某些使用情况下，也可以不放置第十三介质38。当功率自耗散式可控电力电子装置31工作时，功率自耗散式可控电力电子装置31的温度快速升高，与第三导热体34和第一冷却介质之间形成温度差，实现功率自耗散式可控电力电子装置31的自发热热量从功率自耗散式可控电力电子装置31、第十三介质38和第三导热体34传递到第一冷却介质中。当第一冷却介质循环流动时，能够快速加热循环回路中的第一冷却介质，提高第一冷却介质的温度，循环回路可以是小循环回路和或大循环回路。

将功率自耗散式可控电力电子装置31的自发热热量传导到燃料电池堆2和燃料电池内部冷却回路518不仅限于上述三种方法，其他直接或间接传热方式也是可以的，根据实际系统特性，合理选择热量传递方式，在此不作限定。功率自耗散式可控电力电子装置31与燃料电池堆2和燃料电池冷却回路的放置位置和安装方式多样化，在此不作限定。通过控制功率自耗散式可控电力电子装置31在电阻模式，使得在燃料电池系统停机之后，燃料电池堆2的输出端始终连接有电阻性装置，用于消耗进入燃料电池堆2内的氧气。

本公开内容是本申请实施例的原则的示例，并非对本申请作出任何形式 上或实质上的限定，或将本申请限定到具体的实施方案。对本领域的技术人员而言，很显然本申请实施例的技术方案的要素、方法和系统等，可以进行变动、改变、改动、演变，而不背离如上所述的本申请的实施例、技术方案的，如权利要求中所定义的原理、精神和范围。这些变动、改变、改动、演变的实施方案均包括在本申请的等同实施例内，这些等同实施例均包括在本申请的由权利要求界定的范围内。虽然可以许多不同形式来使本申请实施例具体化，但此处详细描述的是本申请的一些实施方案。此外，本申请的实施例包括此处所述的各种实施方案的一些或全部的任意可能的组合，也包括在本申请的由权利要求界定的范围内。在本申请中或在任一个引用的专利、引用的专利申请或其它引用的资料中任何地方所提及的所有专利、专利申请和其它引用资料据此通过引用以其整体并入。

以上公开内容规定为说明性的而不是穷尽性的。对于本领域技术人员来说，本说明书会暗示许多变化和可选择方案。所有这些可选择方案和变化旨在被包括在本权利要求的范围内，其中术语“包括”意思是“包括，但不限于”。

在此完成了对本申请可选择的实施方案的描述。本领域技术人员可认识到此处所述的实施方案的其它等效变换，这些等效变换也为由附于本文的权利要求所包括。

Claims (15)

1. 一种电源系统，所述电源系统包括二次电源、电力装置、主功率输出模块以及单片电压巡检装置；

   其中，所述二次电源包括多个电源单体；

   所述二次电源的正极输出端与所述电力装置的输入端的正极电连接，所述二次电源的负极输出端与所述电力装置的输入端的负极电连接，所述电力装置设置成在测量阻抗时对所述二次电源施加电压扰动信号、或施加电流扰动信号或调控所述二次电源的输出功率，并且所述电力装置还设置成在所述电源系统冷启动过程中将产生的发热热量传递到所述二次电源或所述电源系统；

   所述二次电源的正极输出端与所述主功率输出模块的输入端的正极电连接，所述二次电源的负极输出端与所述主功率输出模块的输入端的负极电连接，所述主功率输出模块设置成调控所述二次电源的主输出功率；

   所述单片电压巡检装置设置成采集所述二次电源的输出电压和输出电流，或采集每个所述电源单体的输出电压和输出电流。
2. 根据权利要求1所述的电源系统，其中，所述电力装置包括电力装置控制器，所述电力装置控制器设置成控制所述电力装置的电流、电压、功率或电阻中的一种或多种；

   任选地，在所述电源系统停机之后，所述电力装置控制器控制所述电力装置为电阻模式；

   任选地，在冷启动时，所述电力装置还被设置成调整所述二次电源的自发热功率和对外输出功率，以调整所述二次电源的工作条件和工况。
3. 根据权利要求1或2所述的电源系统，其中，所述电力装置包括功率变换器和负载；

   任选地，所述二次电源的正极输出端与所述功率变换器的输入端的正极电连接，所述二次电源的负极输出端与所述功率变换器的输入端的负极电连接，所述功率变换器的输出端与所述负载电连接，通过控制所述功率变换器的输入电压对所述二次电源施加所述电压扰动信号，通过控制所述功率变换 器的输入电流对所述二次电源施加所述电流扰动信号，通过所述功率变换器控制所述二次电源的输出电压和输出电流从而调控所述二次电源的输出功率。
4. 根据权利要求3所述的电源系统，所述电源系统还包括冷却回路，所述二次电源还包括正极侧端板和负极侧端板；其中，所述功率变换器设置于以下任意一处或任意多处：所述正极侧端板的外表面、所述负极侧端板的外表面、和所述冷却回路中；所述负载设置于以下任意一处或任意多处：所述正极侧端板的外表面、所述负极侧端板的外表面、和所述冷却回路中。
5. 根据权利要求1或2所述的电源系统，其中，所述电力装置包括功率变换器和加热器；

   任选地，所述二次电源的正极输出端与所述功率变换器的输入端的正极电连接，所述二次电源的负极输出端与所述功率变换器的输入端的负极电连接，所述功率变换器的输出端与所述加热器电连接，通过控制所述功率变换器的输入电压对所述二次电源施加所述电压扰动信号，通过控制所述功率变换器的输入电流对所述二次电源施加所述电流扰动信号，通过所述功率变换器控制所述二次电源的输出电压和输出电流从而调控所述二次电源的输出功率。
6. 根据权利要求5所述的电源系统，所述电源系统还包括冷却回路，所述二次电源还包括正极侧端板和负极侧端板；其中，所述功率变换器设置于以下任意一处或任意多处：所述正极侧端板的外表面、所述负极侧端板的外表面、和所述冷却回路中；所述加热器设置于所述冷却回路中。
7. 根据权利要求1或2所述的电源系统，其中，所述电力装置包括功率自耗散式可控电力电子装置；

   任选地，所述二次电源的正极输出端与所述功率自耗散式可控电力电子装置的输入端的正极电连接，所述二次电源的负极输出端与所述功率自耗散式可控电力电子装置的输入端的负极电连接，通过控制所述功率自耗散式可控电力电子装置的输入电压对所述二次电源施加所述电压扰动信号，通过控制所述功率自耗散式可控电力电子装置的输入电流对所述二次电源施加所述电流扰动信号，通过所述功率自耗散式可控电力电子装置控制所述二次电源的输出电压和输出电流从而调控所述二次电源的输出功率。
8. 根据权利要求7所述的电源系统，所述电源系统还包括冷却回路，所述二次电源还包括正极侧端板和负极侧端板；其中，所述功率自耗散式可控电力电子装置设置于以下任意一处或任意多处：所述正极侧端板的外表面、所述负极侧端板的外表面、和所述冷却回路中；

   任选地，所述功率自耗散式可控电力电子装置由金属氧化物半导体场效应晶体管组成。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的电源系统，其中所述二次电源包括燃料电池堆、锂电池或超级电容器；所述电源单体包括燃料电池单片、锂电池单体或超级电容器单体。
10. 一种测量电源系统的阻抗的方法，所述电源系统包括二次电源、电力装置、主功率输出模块以及单片电压巡检装置；

    所述二次电源包括多个电源单体，将一个电源单体的正极或负极与相邻的另一个电源单体的负极或正极电连接，形成一个节点，从而实现所有电源单体的串联；

    所述电力装置对所述二次电源施加电压扰动信号、电流扰动信号或调控所述二次电源的输出功率；

    将单片电压巡检装置的各连接线与所述二次电源的各节点分别电连接，分别测量各节点的电压值或电流值，以及所述二次电源的电压值或电流值；

    通过测量得到的电压值和电流值，分别得到各电源单体和二次电源的阻抗值。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中，所述电力装置包括功率变换器和负载，控制所述功率变换器的输入电压对所述二次电源施加所述电压扰动信号，控制所述功率变换器的输入电流对所述二次电源施加所述电流扰动信号，通过所述功率变换器控制所述二次电源的输出电压和输出电流从而调控所述二次电源的输出功率；或者

    所述电力装置包括功率变换器和加热器，控制所述功率变换器的输入电压对所述二次电源施加所述电压扰动信号，控制所述功率变换器的输入电流对所述二次电源施加所述电流扰动信号，通过所述功率变换器控制所述二次 电源的输出电压和输出电流从而调控所述二次电源的输出功率；或者

    其中，所述电力装置包括功率自耗散式可控电力电子装置，控制所述功率自耗散式可控电力电子装置的输入电压对所述二次电源施加所述电压扰动信号，控制所述功率自耗散式可控电力电子装置的输入电流对所述二次电源施加所述电流扰动信号，通过所述功率自耗散式可控电力电子装置控制所述二次电源的输出电压和输出电流从而调控所述二次电源的输出功率。
12. 根据权利要求10或11所述的方法，其中所述二次电源包括燃料电池堆、锂电池或超级电容器；所述电源单体包括燃料电池单片、锂电池单体或超级电容器单体。
13. 一种电源系统的冷启动方法，所述电源系统包括二次电源、电力装置、主功率输出模块、单片电压巡检装置以及冷却回路；

    所述电源系统在冷启动时，断开所述二次电源与所述主功率输出模块之间的电连接，开启所述二次电源与所述电力装置之间的电连接，将所述电力装置的电能转化为热能，提供给所述二次电源或所述电源系统；

    在冷启动时，控制所述电力装置还调整所述二次电源的自发热功率和对外输出功率，以调整所述二次电源的工作条件和工况。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述电力装置包括功率变换器和负载；将所述功率变换器和所述负载的电能转化为热能，提供给所述二次电源或所述电源系统；或者

    所述电力装置包括功率变换器和加热器；将所述功率变换器和所述加热器的电能转化为热能，提供给所述二次电源或所述电源系统；或者

    所述电力装置包括功率自耗散式可控电力电子装置；将所述功率自耗散式可控电力电子装置的电能转化为热能，提供给所述二次电源或所述电源系统。
15. 根据权利要求13或14所述的方法，其中所述二次电源包括燃料电池堆、锂电池或超级电容器；所述电源单体包括燃料电池单片、锂电池单体或超级电容器单体。

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