用於測量燃料電池中的電壓的設備的製作方法

2023-07-07 11:20:56 1

用於測量燃料電池中的電壓的設備的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於測量在燃料電池(32)中的電池電壓的設備，所述燃料電池包含通過雙極板(3、4、5)分隔的N個電化學電池，其中N是自然數，所述設備包括至少兩個電壓測量模塊(1、2)，每個模塊能夠測量來自燃料電池的鄰近電池的集合的M個電壓，其中M是小於或等於N/2的自然數，通過第一模塊(1)測量的電池組鄰近通過第二模塊(2)測量的電池組，包括電子計算機(2)以及有線通信總線(15)，有線通信總線(15)將至少兩個測量設備串聯連接至計算機，每一個測量模塊包括用於將所述模塊附接到所述燃料電池(30)的機械裝置、電壓測量裝置(10)、用於將所述雙極板電連接到至少一個電壓測量裝置的裝置，以及用於將所述電壓測量裝置連接到所述通信總線的裝置(11，12，16，17)。
【專利說明】用於測量燃料電池中的電壓的設備
【技術領域】
[0001]本發明涉及燃料電池領域，尤其是用於監測這樣的電池的系統的領域。更具體地，其涉及用於測量燃料電池中的電壓的設備。
[0002]燃料電池在許多應用中顯示出日漸成功。作為電動車輛的發展的一部分，它們在汽車工業中尤其具有利益性，這是因為它們與燃料箱結合形成了清潔的發電機，其比電池組類型的電化學蓄電池提供了更大的能量密度，並且顯示出良好的效率。
[0003]在燃料電池中，通過兩個化學反應產生電力:在一個電極上燃料(例如氫)的氧化與在另一個電極上氧化劑(例如氧氣)的還原相聯接。這兩個化學反應發生在電池內，該電池通常包括陽極和陰極，在它們之間布置有形成膜電極(MEA)的薄膜。可以使用各種類型的薄膜，已知例如離子交換薄膜或者固態氧化薄膜。
【背景技術】
[0004]根據應用，證明必須使用顯示出或多或少的大電池堆的燃料電池，目的是提供想要的電源量。例如，在電動車輛的領域中，遇到具有多於一百個堆疊的電池的堆並不罕見。堆因此由一組 通過雙極板分隔的MEA構成。這些板包括陽極側和陰極側，其用於對堆的鄰近電池輸送氣體。然而，堆的第一個和最後一個板不是雙極的，並且僅顯示出一個極性。由於語言的誤用，堆常被稱為燃料電池，並且每個MEA被稱為電池或電化學電池。在本申請中該詞將在後面使用。
[0005]在用於例如電動車的燃料電池中，必須檢測出會導致燃料電池的故障或者危險行為的任何異常。為此目的，獲得關於每個電池的信息，尤其是有關產生的電壓的個別項是有用的。
[0006]根據專利申請US2011/0217612，已知存在包括若干直接安裝在燃料電池上的模塊的測量設備。每個模塊用於測量電池組，並且各個模塊通過光信號與彼此通信。該設備額外包括位於燃料電池的端部處的聚合元件，準備接收通過每個模塊執行的測量結果。
[0007]這樣的設備由於其結構而顯示出許多缺點。具體而言，模塊通過電池自身供電，意味著在一個或多個電池上的電壓損耗導致了用於模塊的功率的損耗，因此其不再能夠執行測量。因而該設備似乎不適於測量非常低的電壓，或者甚至略微為負的電壓。
[0008]因此，本發明的目的是提出一種易於安裝和使用，並且可靠和經濟的設備以用於補救這些缺點同時提供測量方案。

【發明內容】

[0009]因此，本發明涉及一種用於測量在燃料電池中電池的電壓的設備，所述燃料電池包含通過雙極板分隔的N個電化學電池，其中N是自然數，所述系統包括:
[0010]-至少兩個電壓測量模塊，每個模塊能夠測量在燃料電池的鄰近電池組上的M個電壓，其中M是小於或等於N/2的自然數，通過第一模塊測量的電池組鄰近通過第二模塊測量的電池組，[0011]-電子計算機，以及
[0012]-有線通信總線，所述有線通信總線將至少兩個測量設備串聯連接至計算機，
[0013]每一個測量模塊包括:
[0014]-機械裝置，所述機械裝置用於將所述模塊固定在所述燃料電池上，
[0015]-電壓測量裝置，
[0016]-電連接裝置，所述電連接裝置用於將所述雙極板連接到至少一個電壓測量裝置，
[0017]-用於將所述電壓測量裝置連接到所述通信總線的裝置，
[0018]並且每個模塊的形狀與鄰近的模塊配合，通過這樣的方式使得連接到第一模塊的最後一個雙級板也連接到第二模塊。
[0019]如將在圖解本發明的實施方案的附圖中明顯看出的，所述模塊具有這樣的形狀:顯示出使得位於兩個鄰近布置的模塊的邊界上的雙極板垂直於所述模塊的側面，不藉助於額外電連接的使用連接到這兩個模塊的交錯。
[0020]此外，以優選的方式，用於將模塊固定在燃料電池上的機械固定裝置與電連接裝置將合併。因此，在特定實施方案中，這些裝置將包括連接器，例如丨類型的內孔連接器，其既提供了機械連接的實現，也提供了電連接的實現。這些內孔連接器包括布置為扣住形成在燃料電池的雙極 板上並且能夠實現連接的金屬連接片的兩個金屬部件。
[0021]在本發明的一個特定實施方案中，每個電壓測量裝置測量兩個鄰近電池的電壓。具體而言，給出燃料電池的電化學電池的厚度，事實證明用於測量每個電池的單個電壓的安裝裝置並不是非常符合人體工學的。此外，觀察到測量裝置的靈敏度對於穿過兩個電池執行的測量是足夠的，以提供每個電池的狀態的估計。因此，在特定實施方案中，模塊對於十六個電池的組執行八個電壓測量。
[0022]在本發明的特定實施方案中,有線通信總線為CAN? (控制器區域網路)類型串行總線，顯示出在設備(比如本發明的設備)的背景下有效的穩健性的特性。在另一個特定實施方案中，使用I2C類型總線。
[0023]此外，在另一個本發明的特定實施方案中，在所述有線通信總線和所述燃料電池之間所述測量設備包括至少一個電流隔離設備。這樣的設備例如包括光耦合器。具體而言，燃料電池由串聯連接的電池構成；依據其在燃料電池上的位置，每個測量模塊因此相對於燃料電池的負極性位於不同的電勢處。因此，適宜在測量裝置和共用通信總線之間實施電流隔離。
[0024]在本發明的另一個特定實施方案中，每個電壓測量模塊包括不同於其他模塊的地址或者編碼。具體而言，如稍後說明的，這使得電子計算機可以定址請求，各個模塊通過該請求要求進行測量。
[0025]電子計算機用於生成通過設備執行的測量。為此目的，其經由有線通信總線與模塊進行通信，並且經由相同的裝置接收測量的結果。在本申請的後面部分，該計算機將被稱為控制器，但是並不將術語的範圍限制為特定類型的元件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]在通過以下【專利附圖】

【附圖說明】的，優選的但非限制性的實施方案的以下描述中，本發明的其他目的和優點將變得清楚，其中:[0027].圖1示意性地表示在燃料電池上的兩個測量模塊的安裝，
[0028].圖2表示作為根據本發明的設備的一部分使用的模塊的功能圖，
[0029].圖3表示包括四個測量模塊的根據本發明的設備，以及
[0030].圖4表示如圖1所示的安裝的分解圖。
【具體實施方式】
[0031]圖1表示根據本發明的特定實施方案的設備。該設備包括安裝在燃料電池上的第一電壓測量模塊I和第二電壓測量模塊2。燃料電池表示在從上的視圖中，並且僅僅分隔堆的各個MEA的雙極板3是可見的。在附圖中，僅有四個板具有標記3，但應當理解的是，承受電壓測量的每個水平線都表示雙極板。應當注意，在本發明的這個特定示例中，電壓測量不在每個電池上執行，而是在兩個鄰近電池的組上執行。為了簡化的目的，在圖1中僅表示了在執行電壓測量的終端處的雙極板，即，相對於完整的堆在兩個板中選擇一個。
[0032]第一模塊用於執行八個電壓VO到V7的測量，因此覆蓋了十六個電池。為此目的，測量模塊必須連接到至少九個雙極板，如在該附圖中所示的。在該特定示例實施方案中，用於將模塊支撐在燃料的電池上的位置中的金屬連接還用作電連接。如在該附圖中所示的，測量模塊通過兩個連接而連接到每個雙極板:一個位於在區域A中的左手側上，另一個位於在區域B中的右手側上，但除了第一個和最後一個連接板以外。這導致了在電壓Vl到V7的測量中的冗餘。然而，該冗餘也是機械性質的並因此提供了對裝配的良好穩定性的保證。
[0033]圖4顯示包括打算安裝在燃料電池32上的兩個模塊I和2的測量設備的示例實施方案。在該特定示例中，模塊的連接裝置為Faston類型的金屬連接器30。雙極板設有金屬接線片31，使得能夠與待安置的連接器進行連接。有利地，一個雙極板包括兩個金屬連接片。
[0034]此外，在圖1中觀察到第一模塊I和第二模塊2的形狀使得雙極板4既在連接4a處連接到第一模塊，也在連接4b處連接到第二模塊。憑藉這種形狀，在板4和板5之間的電壓可以在不藉助任何在模塊I和模塊2之間的額外連接而進行測量。具體而言，如果模塊為矩形形狀(模塊的最長長度平行於板放置)，則雙極板4將僅連接到單個模塊，例如模塊I。在這種情況下，為了測量在板4和板5之間的電壓，必須設立有線連接以將板4的電勢傳輸到將執行測量的模塊2，或者將板5的電勢傳輸到將在這種情況下執行測量的模塊
1
[0035]這樣的設備顯示出在可靠性、安裝和使用的簡易性以及經濟性方面的許多優勢。具體而言，每個模塊旨在在較少數目(例如十六個)的電池的終端處測量電壓。模塊的連接之間的間距由電池的厚度給出。現在，取決於燃料電池的結構，並且取決於溫度以及裝配的夾壓，厚度(在整個堆上)可能改變，可能產生阻止預定尺寸的測量設備的安裝的總體變化。然而，在十六個電池的裝配上，總體變化決不會達到使得根據本發明的實施方案的模塊無法安裝的程度。此外，這樣的模塊是簡單的和經濟的，因為通過單個元件實現了電連接和機械連接。另外，模塊的特定形狀避免了在設備的模塊之間的有線連接的安裝，因此簡化其安裝並且防止在該水平上任何過早地斷開。
[0036]現在將參考圖2描述模塊的操作，圖2顯示了在根據本發明的設備中使用的模塊I的示例功能架構。為了簡化的目的，在該附圖中僅表示了 A側的輸入。[0037]模塊I連接到九個雙極板，由此用於對八個電壓VO到V7進行測量。通過八個運算放大器電路10執行這些測量。之後這些電壓傳輸到模數轉換器11。該轉換器連接到例如等於2.5伏的參考值12，用於比較由電路10傳輸的測量。
[0038]模數轉換器11能夠僅轉換正電壓。現在，在本發明的一個實施方案中，理想的情況是也能夠測量負電壓，其為尤其是由於氫的供應不足而導致的電池的倒轉提供了檢測。為了補救這點，轉換器11還連接到設備13，設備13使得在轉換之前能夠對測量的電壓應用偏置電壓。
[0039]一旦執行了測量的轉換，結果就被傳輸至數據總線14。該總線例如為I2C(內部集成電路)類型或者CAN?類型的串行總線。該數據總線14將數據選路到第二數據總線15，第二數據總線15之後將數據選路到主控制器20(見圖3)。如果總線14和15不是相同的類型，則提供微控制器16以將數據轉換為總線15所支持的格式是有用的。此外，為了防止存在於燃料電池中的高電壓傳播到總線15上並且損壞一些元件，具有電流隔離設備17(例如光耦合器)是有用的。
[0040]整個的模塊I由總線15供電。為此目的，在模塊中安裝電壓-電壓轉換器18並且使電壓-電壓轉換器18連接至主元件。在優選實施方案中，該轉換器還包括電流隔離設備以避免之前提到的問題。
[0041]有意在設備中使用如圖2所不的I旲塊,在圖3中顯不了其不例。
[0042]該設備包括四個模塊19a、19b、19c和19d。每個模塊連接到總線15，總線15將它們連接到控制器20。此處模塊的數目以示例的方式給出並且不是限制性的。在使用八輸入轉換器的情況下，四模塊設備提供了對三十二個電壓的測量。因此在每組兩個電池來測量電池的電壓的情況下，其可用在具有六十四個電池的燃料電池上。其他模塊中的每一個都具有地址21，使得能夠對其進行區分。例如，該地址在具有三個狀態的三個位上進行編碼，並且通過使用焊接點在每個模塊上在物理上進行登記，以使電鏈路表示每個位。
[0043]控制器20為管理測量設備的操作，並且尤其是使測量有序的元件。具體而言，電壓測量沒有不斷地傳輸到控制器，而是僅根據請求。
[0044]在沒有請求時，模塊經由相應的鏈路22a、22b、22c和22d從總線15中僅得到保持電流，保持電流使得它們能夠接收請求並且確定它們是不是相關的。另一方面，在沒有請求時，轉換器11沒有被激活，因此不執行轉換。
[0045]當有必要進行測量時，控制器20首先將請求發送到總線上，包括模塊的地址和想要接收電壓的電池的位置。在接收到請求時，定址的模塊離開其待命狀態，並且從總線15中得到更大的電流。
[0046]之後其對之前轉換的並且存儲在轉換器11處的值進行讀取，然後觸發打算在以後的請求期間使用的新的轉換。之後讀取的值經由來自鏈路23a到23d中的相應鏈路傳送到總線15上，並且之後與控制器20進行通信。
[0047]因此，燃料電池的控制器20能夠根據接收的測量來確定電壓沒有被鎖定，並且它們沒有處於正常操作的範圍之外。如果檢測到錯誤，則停止燃料電池來防止任何危險的故障是有用的。
[0048]因此，根據本發明的設備良好地響應於所需的簡易性和可靠性需求。具體而言，總線15起對數據進行通信以及對模塊進行供電的作用，由此使得即使在燃料電池故障的情況下測量也能繼續。
【權利要求】
1.一種用於測量在燃料電池中電池的電壓的設備，所述燃料電池包含通過雙極板分隔的N個電化學電池，其中N是自然數，所述設備包括: -至少兩個電壓測量模塊(1、2)，每個模塊能夠測量在燃料電池(32)的鄰近電池組上的M個電壓，其中M是小於或等於N/2的自然數，通過第一模塊測量的電池組與通過第二模塊測量的電池組相鄰， -電子計算機，以及 -有線通信總線，所述有線通信總線將至少兩個測量設備串聯連接至計算機， 每一個測量模塊包括: -機械裝置，所述機械裝置用於將所述模塊固定在所述燃料電池(30)上， -電壓測量裝置， -電連接裝置，所述電連接裝置用於將所述雙極板連接到至少一個電壓測量裝置， -用於將所述電壓測量裝置連接到所述通信總線的裝置， 並且每個模塊(I1)的形狀與鄰近的模塊(2)配合，通過這樣的方式使得連接到第一模塊的最後一個雙級板也連接到第二模塊。
2.根據權利要求1所述的測量設備，其中每個電壓測量裝置測量兩個鄰近電池的電壓。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的測量設備，其中所述電連接裝置包括能夠還用作機械固定裝置的連接器。
4.根據權利要求3所述的測量設備，其中所述電連接裝置布置為與布置在所述雙極板上的金屬連接片配合。
5.根據前述權利要求中的一項所述的測量設備，在所述有線通信總線和所述燃料電池之間額外包括至少一個電流隔離設備。
6.根據權利要求5所述的測量設備，其中所述電流隔離設備包括光耦合器。
7.根據前述權利要求中的一項所述的測量設備，其中每個電壓測量設備包括與其他模塊不同的地址。
8.根據前述權利要求中的一項所述的測量設備，其中M等於8。
【文檔編號】G01R31/36GK104025355SQ201280053800
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年11月2日 優先權日:2011年11月4日
【發明者】G·帕加內利, D·奧爾索默 申請人:米其林集團總公司, 米其林研究和技術股份有限公司