用於燃料電池監控電路的經堆通信方法
2023-11-06 08:06:57 2
專利名稱：用於燃料電池監控電路的經堆通信方法
技術領域：
本發明一般涉及一種用於監控燃料電池堆中燃料電池的性能的系統及方法，尤其是涉及用於監控包括傳感器和音頻發生器的燃料電池堆中燃料電池的性能的系統及方法， 其中該傳感器用於檢測燃料電池的不期望狀況，且該音頻發生器響應於通過合適電路所檢測到的上述狀況而產生AC音頻。
背景技術：
氫是一種非常有吸引力的燃料，因為其清潔且能用於在燃料電池中有效地產生電。氫燃料電池是一種電化學器件，其包括陽極、陰極以及介於兩者之間的電解質。陽極接收氫氣，而陰極接收氧氣或者空氣。氫氣在陽極中分解以產生自由的質子和電子。質子穿過電解質到達陰極。質子與陰極中的氧氣和電子反應而產生水。來自陽極的電子不能穿過電解質，因此在被送到陰極之前被弓I導通過負載而執行工作。質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種流行的用於車輛的燃料電池。PEMFC—般地包括固態聚合物電解質質子導電膜，諸如全氟磺酸膜。陽極和陰極往往包括精細的催化顆粒，一般為鉬(Pt)，其分布在碳顆粒上且與離聚物混合。催化混合物沉積在膜的相對側上。 陽極催化混合物、陰極催化混合物、以及膜的組合共同限定了膜電極組件(MEA)。MEAs的製造較貴，並且還需要特定的條件才能有效工作。往往通過串聯將數個燃料電池結合在燃料電池堆中以產生期望的功率。例如，用於車輛的典型的燃料電池堆可具有兩百或者更多個堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入反應氣體，通常是通過壓縮機強制通過所述堆的空氣流。不是所有的氧氣都被堆消耗， 一些空氣作為陰極廢氣輸出，所述廢氣可包括作為堆的副產品的水。燃料電池堆還接收流進堆的陽極側的陽極氫氣反應氣體。堆還包括供冷卻流體流動通過的流動通道。燃料電池堆包括一系列布置在所述堆中的數個MEAs之間的雙極板，其中雙極板和MEAs都被布置在兩個端板之間。對於堆中相鄰的燃料電池而言，雙極板包括陽極側和陰極側。陽極氣體流動通道被提供在雙極板的陽極側從而允許陽極反應氣體流動至相應的MEA。陰極氣體流動通道被提供在雙極板的陰極側從而允許陰極反應氣體流動至相應的 MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，而另外一個端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板都由導電材料製成，諸如不鏽鋼或者導電合成物。端板將由燃料電池產生的電傳導至堆外。雙極板還包括供冷卻流體流動通過的流動通道。隨著燃料電池的老化，燃料電池堆中單獨的燃料電池的性能的退化因為各種因素而不同。存在不同的原因而導致電池的低性能，比如電池溢流、催化劑的流失等，一些是暫時的而一些則是永久的，一些需要維護，而一些則需要堆置換以換掉那些低性能的電池。雖然這些燃料電池串聯地電聯接在一起，但是當負載並聯到堆上時，每個電池的電壓不同程度地下降，其中那些低性能的電池具有更低的電壓。因此，有必要對堆中的燃料電池的電池電壓進行監控，以確保電池的電壓不會降到低於預定閾值電壓，從而防止電池電壓的極性反轉，由此防止可能對電池造成永久的損傷。
通常，燃料電池堆中的每個燃料電池的輸出電壓被監控，使得系統可知道燃料電池電壓是否太低，燃料電池電壓太低表示了可能的失效。正如本領域所理解的那樣，因為所有的燃料電池都以串聯的方式電聯接，所以如果堆中的一個燃料電池失效，那麼整個堆都會失效。可以對失效的燃料電池採取某些補救措施作為臨時的解決方案，比如增加氫氣流量和/或增加陰極的化學計量值(stoichiometry)，直到燃料電池車輛能夠被維修時為止。燃料電池的電壓通常是通過電池電壓監控子系統去測量，其中電池電壓監控子系統包括連接至堆中的每個雙極板、或者一些數量的雙極板和連接至堆的端板的電連接，以便測量每個電池的正極側與負極側之間的電壓電勢。因此，一個400個電池的堆可能包括連接至該堆的401條導線。因為考慮到零件的尺寸、零件的容差、以及零件的數量等，在具有如此多燃料電池的堆中對每個雙極板都提供物理連接是不實際的，並且零件的數量增加了成本且降低了系統的可靠性。正如以上所討論的那樣，本領域已知的是，通過處理燃料電池堆中的燃料電池的電信號來確定燃料電池堆是否如所期望的那樣運行。常常，因為與監控每個電池相關聯的成本，所以電信號處理是每隔一個電池來進行的。此外，也很難在可用的空間中提供所需的部件以監控每一電池。為了消除利用多個互聯導線將燃料電池測量電路連接至燃料電池堆的必要，期望在燃料電池堆組件的結構內直接嵌入上述測量電路。這種嵌入式測量電路不需要增加很高的成本，並且能允許對所有燃料電池進行監控。
發明內容
根據本發明的教導，公開了一種用於監控燃料電池組中的燃料電池的系統和方法。該系統包括監控燃料電池的狀況的傳感器電路，諸如電壓傳感器電路。如果傳感器電路檢測到低性能電池，那麼它將發送信號至音頻發生器，其產生將負載接入電池組以及將負載從電池組斷開的頻率信號。電壓傳感器檢測包括上述頻率信號的電池組電壓，以及將檢測到的電壓信號發送至音頻解碼器，其解碼頻率信號以確定燃料電池為低性能。本發明還包括如下方案方案1. 一種用於監控燃料電池組中的燃料電池的系統，所述系統包括至少一個用於監控所述燃料電池組中燃料電池的狀況的傳感器電路；用於當傳感器檢測到所述狀況時施加頻率信號至所述電池組的音頻發生器；和用於檢測來自所述電池組且由所述音頻發生器產生的所述頻率信號的音頻解碼
ο方案2.根據方案1所述的系統，進一步包括開關和負載，所述音頻發生器將所述開關接通和斷開，以使所述負載與所述燃料電池組並聯連接和使所述負載從所述燃料電池組斷開，從而產生所述頻率信號。方案3.根據方案2所述的系統，其中，所述開關是半導體開關。方案4.根據方案2所述的系統，其中，所述負載是電阻性負載。方案5.根據方案1所述的系統，進一步包括低通濾波器，用於防止所述頻率信號被所述傳感器電路檢測到。方案6.根據方案1所述的系統，其中，所述電池組是包括有多個電池組的燃料電池堆的一部分，每個電池組包括單獨的傳感器電路和用於向所述電池組提供頻率信號的音
5頻發生器。方案7.根據方案1所述的系統，進一步包括電壓傳感器，其用於測量所述燃料電池組的電壓，並產生包括電池組電壓和所述頻率信號的傳感器信號。方案8.根據方案7所述的系統，進一步包括濾波器，其用於從所述傳感器信號中過濾掉所述電池組電壓，並且將所述頻率信號提供至所述音頻解碼器。方案9.根據方案1所述的系統，其中，所述至少一個傳感器電路監控所述燃料電池組中燃料電池的電壓。方案10.根據方案9所述的系統，其中，所述傳感器電路監控所述燃料電池組中每個燃料電池的電壓。方案11. 一種用於監控燃料電池組中的燃料電池的系統，所述系統包括傳感器電路，所述傳感器電路用於監控所述燃料電池組中的一個或多個燃料電池的電壓；音頻發生器，所述音頻發生器用於當由所述傳感器電路檢測到的所述燃料電池的電壓降到低於預定閾值時產生音頻信號；開關，所述開關接收來自所述音頻發生器的音頻信號，並且響應於所述音頻信號的頻率而接通和斷開；負載，所述負載聯接至所述開關，並且隨著所述開關的開路和閉合而與所述燃料電池組並聯聯接以及與所述燃料電池組斷開，從而在所述電池組中提供頻率信號；電壓傳感器，所述電壓傳感器用於測量所述燃料電池組的電壓，並且提供包括電池組電壓和所述頻率信號的傳感器信號；和音頻解碼器，所述音頻解碼器用於對來自所述傳感器信號的所述頻率信號進行解碼。方案12.根據方案11所述的系統，其中，所述開關是半導體開關。方案13.根據方案11所述的系統，其中，所述負載是電阻性負載。方案14.根據方案11所述的系統，進一步包括低通濾波器，用於防止所述頻率信號被所述傳感器電路檢測到。方案15.根據方案11所述的系統，其中，所述電池組是包括有多個電池組的燃料電池堆的一部分，每個電池組包括傳感器電路和用於向所述電池組提供頻率信號的音頻發生器。方案16.根據方案11的所述系統，進一步包括濾波器，所述濾波器用於在所述傳感器信號被發送至所述音頻解碼器之前從所述傳感器信號中過濾掉所述電池組電壓。方案17. —種用於監控燃料電池組中的燃料電池的系統，所述燃料電池組是燃料電池堆的一部分，所述系統包括傳感器電路，所述傳感器電路用於監控所述燃料電池組中的一個或多個燃料電池的電壓；音頻發生器，所述音頻發生器用於當由所述傳感器電路檢測到的所述燃料電池的電壓降到低於預定閾值時產生音頻信號；開關，所述開關接收來自所述音頻發生器的音頻信號，並且響應於所述音頻信號的頻率而接通和斷開；
負載，所述負載聯接至所述開關，並且隨著所述開關的開路及閉合而與所述燃料電池組並聯聯接以及與所述燃料電池組斷開，從而在所述電池組上提供頻率信號；低通濾波器，所述低通濾波器用於防止所述頻率信號被所述傳感器電路檢測到；電壓傳感器，所述電壓傳感器用於測量所述燃料電池組的電壓，並且提供包括有電池組電壓和所述頻率信號的傳感器信號；濾波器，所述濾波器用於從所述傳感器信號中過濾掉所述電池組電壓；和音頻解碼器，所述音頻解碼器用於接收和解碼來自所述濾波器的所述頻率信號。方案18.根據方案17所述的系統，其中，所述開關是半導體開關。方案19.根據方案17所述的系統，其中，所述負載是電阻性負載。方案20.根據方案17所述的系統，其中，所述傳感器電路監控所述燃料電池組中的每個燃料電池的電壓。本發明其餘的特徵將從以下結合附圖的說明和所附權利要求書變得明顯。
圖1是用於監控燃料電池組中的燃料電池的系統的示意性框圖；以及圖2是圖1所示的燃料電池組中的燃料電池的等效電路。
具體實施例方式以下對涉及用於監控燃料電池異常狀況的系統和方法的本發明實施方式的討論在本質上僅僅是示例性的，而不是意在限制本發明、或其應用或使用。圖1是用於監控燃料電池組14中的燃料電池12的性能的燃料電池系統10的示意性框圖。在一個非限制性實施方式中，燃料電池組14包括大約15個燃料電池。燃料電池組14可以是包括許多上述這種燃料電池組的燃料電池堆的一部分，在這樣的電池組中提供單獨的系統10，用於監控每個單獨的燃料電池組中的燃料電池的性能。因此，對於可能在燃料電池堆中包括400個左右的燃料電池的汽車應用而言，可能具有20-30個上述這樣的燃料電池系統。包括傳感器監控電子元件的傳感器電路16與燃料電池12並聯地聯接，並可以檢測燃料電池12中的特定工作狀況。在一個非限制性實施方式中，傳感器電路16包括測量燃料電池組14中的燃料電池12的電壓的電壓傳感器。在另外的實施方式中，傳感器電路16 可以檢測其他的狀況，比如溼度、溫度、高頻電阻(HFR)等等。當傳感器電路16檢測到指示了異常或者不期望的燃料電池工作的狀況(諸如低電壓)時，傳感器電路16內的監控電子元件發送信號至音頻發生器18，音頻發生器18提供信號至MOSFET開關20，以便使開關20 接通和斷開。當開關20閉合時，負載22(比如電阻性負載)與電池組14並聯地聯接，而當開關20開路時，負載22與電池組14斷開，這導致了施加至電池組14的頻率信號。音頻發生器對開關20進行開關的頻率確定了施加至電池組14的AC信號的頻率。低通濾波器M 防止該頻率信號被傳感器電路16檢測到。通常，音頻發生器18提供的頻率信號將是比較高頻的，比如大於10kHz。施加至燃料電池組14的頻率信號被提供為疊加在由燃料電池組 14提供的DC功率信號上。通過將負載22接入到電池組電路中以及將負載22與電池組電路斷開，在開關20工作的時間期間，每個電池12中的MEAs的電極處的電容被充電並隨後被放電，從而產生了可檢測的信號。圖2是用於燃料電池的等效電路沈，其示出了代表放電並產生可檢測信號的電容的偽電容28 (Cphi)。可替代地，音頻發生器18可提供直接施加至電池組14以提供被檢測的AC信號的調製信號。此外，通過音頻發生器18可以提供多種音頻，以便被用於減小BOP幹涉。如所示出的那樣，線路在電池組14的端部處連接至傳感器電路16並且對傳感器電路16提供功率。此外，這些線路可以用於檢測電池組14的電壓或者其他狀況，作為單獨的可檢測值。然而，儘管沒有具體示出從每個電池12連接到傳感器電路16的單獨線路，但是傳感器電路16意在表示能檢測電池組14中的電池12的一些或所有電壓、或者每個電池 12的一些其他狀況的任何傳感器。此外，傳感器電路16、音頻發生器18、開關20、負載22 以及低通濾波器M的組合可以被組合在一起並且嵌入在燃料電池堆中以節約空間。當頻率信號被施加至電池組14時，使用電池組14的外部傳感電路來檢測作為燃料電池12中可能存在一些問題的指示的信號。堆電壓傳感器30檢測整個燃料電池堆的電壓，電池組14是所述燃料電池堆的一部分。燃料電池堆內的其他電池組可以通過其他的系統10來監控。除了檢測堆電壓，傳感器30當音頻發生器18施加AC頻率信號時還檢測AC 頻率信號。濾波器/放大器電路32將DC電池電壓從由傳感器30所檢測的電壓中移除，使得AC頻率信號全部保留，並且放大該頻率信號。音頻解碼器34檢測AC頻率信號並調諧至音頻發生器18。如果音頻解碼器34確實檢測到AC頻率信號，則其提供控制邏輯信號至系統控制器36，顯示電池組14、以及可能電池組14內的具體電池12存在問題。與特定的燃料電池堆相關聯的每個系統10中的每個音頻發生器18能產生不同的、可被音頻解碼器34 解碼的音頻，使得控制器36知道系統10中的哪一個在為特定的電池組14提供AC頻率信號。之前的詳述僅僅公開和描述了本發明的示例性實施方式。本領域技術人員可以從這樣的詳述中、以及從附圖和權利要求書中很容易地認識到，在沒有偏離由所附權利要求限定的本發明的精神和範圍的情況下，能夠對其所作出的各種改變、修改以及變化。
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權利要求
1.一種用於監控燃料電池組中的燃料電池的系統，所述系統包括 至少一個用於監控所述燃料電池組中燃料電池的狀況的傳感器電路；用於當傳感器檢測到所述狀況時施加頻率信號至所述電池組的音頻發生器；和用於檢測來自所述電池組且由所述音頻發生器產生的所述頻率信號的音頻解碼器。
2.根據權利要求1所述的系統，進一步包括開關和負載，所述音頻發生器將所述開關接通和斷開，以使所述負載與所述燃料電池組並聯連接和使所述負載從所述燃料電池組斷開，從而產生所述頻率信號。
3.根據權利要求2所述的系統，其中，所述開關是半導體開關。
4.根據權利要求2所述的系統，其中，所述負載是電阻性負載。
5.根據權利要求1所述的系統，進一步包括低通濾波器，用於防止所述頻率信號被所述傳感器電路檢測到。
6.根據權利要求1所述的系統，其中，所述電池組是包括有多個電池組的燃料電池堆的一部分，每個電池組包括單獨的傳感器電路和用於向所述電池組提供頻率信號的音頻發生器。
7.根據權利要求1所述的系統，進一步包括電壓傳感器，其用於測量所述燃料電池組的電壓，並產生包括電池組電壓和所述頻率信號的傳感器信號。
8.根據權利要求7所述的系統，進一步包括濾波器，其用於從所述傳感器信號中過濾掉所述電池組電壓，並且將所述頻率信號提供至所述音頻解碼器。
9.一種用於監控燃料電池組中的燃料電池的系統，所述系統包括傳感器電路，所述傳感器電路用於監控所述燃料電池組中的一個或多個燃料電池的電壓；音頻發生器，所述音頻發生器用於當由所述傳感器電路檢測到的所述燃料電池的電壓降到低於預定閾值時產生音頻信號；開關，所述開關接收來自所述音頻發生器的音頻信號，並且響應於所述音頻信號的頻率而接通和斷開；負載，所述負載聯接至所述開關，並且隨著所述開關的開路和閉合而與所述燃料電池組並聯聯接以及與所述燃料電池組斷開，從而在所述電池組中提供頻率信號；電壓傳感器，所述電壓傳感器用於測量所述燃料電池組的電壓，並且提供包括有電池組電壓和所述頻率信號的傳感器信號；和音頻解碼器，所述音頻解碼器用於對來自所述傳感器信號的所述頻率信號進行解碼。
10.一種用於監控燃料電池組中的燃料電池的系統，所述燃料電池組是燃料電池堆的一部分，所述系統包括傳感器電路，所述傳感器電路用於監控所述燃料電池組中的一個或多個燃料電池的電壓；音頻發生器，所述音頻發生器用於當由所述傳感器電路檢測到的所述燃料電池的電壓降到低於預定閾值時產生音頻信號；開關，所述開關接收來自所述音頻發生器的音頻信號，並且響應於所述音頻信號的頻率而接通和斷開；負載，所述負載聯接至所述開關，並且隨著所述開關的開路及閉合而與所述燃料電池組並聯聯接以及與所述燃料電池組斷開，從而在所述電池組上提供頻率信號；低通濾波器，所述低通濾波器用於防止所述頻率信號被所述傳感器電路檢測到； 電壓傳感器，所述電壓傳感器用於測量所述燃料電池組的電壓，並且提供包括有電池組電壓和所述頻率信號的傳感器信號；濾波器，所述濾波器用於從所述傳感器信號中過濾掉所述電池組電壓；和音頻解碼器，所述音頻解碼器用於接收和解碼來自所述濾波器的所述頻率信號。
全文摘要
本發明涉及用於燃料電池監控電路的經堆通信方法。具體地，提供了一種用於監控燃料電池組中燃料電池的系統和方法。該系統包括監控燃料電池的狀況的傳感器電路，諸如電壓傳感器電路。如果傳感器電路檢測到低性能電池，則它將發送信號至音頻發生器，該音頻發生器產生頻率信號，所述頻率信號將負載接入電池組以及將負載與電池組斷開。電壓傳感器檢測包括了該頻率信號的電池組的電壓，並將檢測到的電壓信號發送至音頻解碼器，所述音頻解碼器解碼頻率信號以確定燃料電池為低性能。
文檔編號H01M8/04GK102340014SQ20111024024
公開日2012年2月1日 申請日期2011年7月20日 優先權日2010年7月20日
發明者D·D·裡, K·L·凱 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司