CN101923143B - 估算燃料电池的最小电压 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及估算燃料电池的最小电压。提供了估算燃料电池的最小电压的方法，以及使用该方法的产品。所述方法包括：测量燃料电池堆的堆电压(V8)；计算所述堆的平均电池电压(VC，ave)；测量所述堆的多个燃料电池组的组电压；识别所述多个组中具有最小组电压(VG，min)的组，最小组电压(VG，min)低于所述多个组中其余组的测量组电压；通过将所识别组的燃料电池数量(NM)乘以所计算的平均电池电压，再减去所识别组的测量组电压，来计算所识别组的组电压偏差(Y)；和根据关系式来估算所识别组的最小电池电压(VGC，min)，在所述关系式中：如果Y小于或等于某值，则VGC，min等于VG，min减去(NM-1)*(VC，ave)；和如果Y大于所述值，则VGC，min等于VG，min乘以某常值或VG，min加上某变量中的至少一个。
Description
技术领域
本发明总体上涉及的领域包括燃料电池及相关操作方法。
背景技术
燃料电池是使用输入氢气和氧气进行催化反应以产生副产物水和有用的电能输出的电化学能量转换装置。分立的燃料电池通常电串联地连接以形成堆。例如，200个燃料电池的堆(其中每个产生约0.75伏)可输出约150伏。堆电压被监测以确保良好的堆操作，且分立的燃料电池电压可被监测以估定低电压状况，该低电压状况可能引起该堆或包括该堆的整个燃料电池系统的操作性能降低或甚至关闭。
但是直接测量每个分立燃料电池的电压会是复杂且成本昂贵的。为了使得电压测量最小化，邻近的燃料电池通常被聚集成组，监测每组的电压并经由组来估算最小电池电压。但是典型的最小电压估算方法会假定在每组中仅有一个性能最低的电池并假定每组中的其它电池处于整个堆的平均电池电压。
发明内容
一个示例性实施例可包括一种方法，该方法包括：测量燃料电池堆的堆电压；计算该堆的平均电池电压(VC，ave)；测量该堆的多个燃料电池组的组电压；识别所述多个组中具有最小组电压(VG，min)的组，最小组电压(VG，min)低于所述多个组中其余组的测量组电压；通过将所识别组的燃料电池数量(NM)乘以所计算的平均电池电压，再减去所识别组的测量组电压，来计算所识别组的组电压偏差(Y)；和根据关系式来估算所识别组的最小电池电压(VGC，min)，在所述关系式中：如果Y小于或等于某值，则VGC，min等于VG，min减去(NM-1)*(VC，ave)；和如果Y大于该值，则VGC，min等于VG，min乘以某常值或VG，min加上某变量中的至少一个。
另一个示例性实施例可包括一种方法，所述方法包括：a)识别燃料电池堆的多个燃料电池组中具有最小组电压(VG，min)的组，最小组电压(VG，min)低于所述多个组中其余组的任何组电压；b)通过将所识别组的燃料电池数量(NM)乘以燃料电池堆的平均电池电压(VC，ave)，再减去该最小组电压，来计算所识别组的组电压偏差(Y)；和c)根据关系式来估算所识别组的最小电池电压(VGC，min)，所述关系式包括步骤：如果Y小于或等于某值，则VGC，min等于VG，min减去(NM-1)*(VC，ave)。
又一个示例性实施例可包括一种产品，该产品包括包含有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池中的至少一些被聚集成多个组。产品还包括联接到该燃料电池堆的电压监测装置，用来测量燃料电池堆的堆电压和所述多个组中的至少一些的组电压。所述产品可进一步包括联接到电压监测装置的控制器，用来：计算该堆的平均电池电压(VC，ave)；识别所述多个组中具有最小组电压(VG，min)的组，最小组电压(VG，min)低于所述多个组中其余组的测量组电压；通过将所识别组的燃料电池数量(NM)乘以所计算的平均电池电压，再减去所识别组的测量组电压，来计算所识别组的组电压偏差(Y)；和根据关系式来估算所识别组的最小电池电压(VGC，min)，在所述关系式中：如果Y小于或等于某值，则VGC，min等于VG，min减去(NM-1)*(VC，ave)；和如果Y大于该值，则VGC，min等于VG，min乘以某常值或VG，min加上某变量中的至少一个。
附加的示例性实施例可包括一种产品，该产品包括用于识别燃料电池堆的多个燃料电池组中具有最小组电压(VG，min)的组的装置，最小组电压(VG，min)低于所述多个组中其余组的任何组电压。该产品还包括用于计算所识别组的组电压偏差(Y)的装置，通过将所识别组的燃料电池数量(NM)乘以燃料电池堆的平均电池电压(VC，ave)，再减去最小电池电压(VGC，min)。该产品还包括根据关系式来估算所识别组的最小电池电压(VGC，min)的装置，所述关系式包括步骤：如果Y小于或等于某值，则VGC，min等于VG，min减去(NM-1)*(VC，ave)。
其它的示例性实施例将从后文提供的详细说明显而易见。应当理解的是，详细说明和具体的示例虽然公开了示例性实施例，但是仅旨在用于描述目的且不旨在限定权利要求的范围。
附图说明
从详细说明和附图将能更完整地理解示例性实施例，在附图中：
图1是包括分立燃料电池的燃料电池堆的燃料电池系统的示例性实施例的示意图；
图2是图1中燃料电池堆的燃料电池的示例性实施例的部分示意图；
图3是估算燃料电池的最小电压的方法的示例性实施例的流程图；
图4是将现有技术的结果与图3的示例性实施例的结果进行对比的表格。
图5是作为采用常规电压估算技术的结果的最小电压估算值误差的现有技术直方图；和
图6是作为采用图3的示例性方法的结果的最小电压估算值误差的描述性直方图。
具体实施方式
对示例性实施例的下述描述在本质上仅是描述性的，且不旨在以任何方式限定权利要求、其应用或用途。
在图1中示出了示例性的操作环境，且可用于实施一种或多种本文公开的估算燃料电池的最小电压的方法。该方法可使用任何合适的系统来实施，且更具体地，可与燃料电池系统(例如系统10)相结合来实施。以下系统描述简单地提供一个示例性燃料电池系统的简要概述，但是本文未示出的其它系统和部件也可支持本文公开的方法。
大体而言，燃料电池系统10可包括燃料源12、氧化剂源14和联接到燃料源12及氧化剂源14的燃料电池堆16。
燃料源12可为氢气源，而氧化剂源14可为氧气源，例如空气中的氧气。源12、14可包括任何合适的存储罐、泵、压缩机、管道或任何其它合适的部件和/或装置。
堆16可包括端板18、20和介于端板18、20之间的多个分立燃料电池22，从而由从燃料源12及氧化剂源14接收的燃料和氧化剂的反应来产生电功率。燃料电池22可聚集成多个燃料电池组G1至GN。在从组G1至GN中可配置任何合适数量的分立燃料电池。
燃料电池系统10也可包括联接到堆16的电压监测装置24，用于监测一个或多个组的电压和/或堆电压(以符号VS例示)。在一个描述性实施例中，装置24可为电池电压监测器(VCM)。在另一个示例性实施例中，装置24可为燃料电池控制器的一部分。
系统10还可包括控制器26，控制器26可包括例如电路、电子电路或芯片、和/或计算装置。在计算装置的实施例中，控制器26通常可包括用于控制系统10的操作的一个或多个接口28、处理器30和存储装置32。通常，控制器26可按照所存储指令和/或数据来接收并处理至少来自电压监测装置24的输入，并将输出信号至少传输给例如燃料源12及氧化剂源14，从而增加或减少堆16的输出。
处理器30可执行指令，所述指令提供至少一些功能给系统10。在本文所使用的术语“指令”可包括例如控制逻辑、计算机软件和/或固件、可编程指令或其它合适的指令。处理器30可包括例如一个或多个微处理器、微控制器、专用集成电路、和/或任何其它合适类型的处理装置。
存储装置32可构造成提供对由系统10接收或加载到系统10的数据和/或处理器可执行指令的存储。数据和/或指令可存储为例如查询表、公式、算法、映射图、模型和/或任何其它合适的格式。存储装置32可包括例如RAM、ROM、EPROM和/或任何其它合适类型的存储装置。
接口28可包括例如模/数或数/模转换器、信号调节器、放大器、滤波器、其它电子装置或软件模块、和/或任何其它合适的接口。接口28可符合例如RS-232、并行、小型计算机系统系统接口、通用串行总线、CAN、MOST、LIN、FlexRay、和/或任何其它合适的协议。接口28可包括电路、软件、固件或任何其它装置，以便辅助或允许控制器26与其它装置进行通信。
最后，虽然未示出，系统10还可包括各种管道、阀、泵、压缩机、冷却剂源、温度传感器和任何其它合适的部件和/或装置。本领域的技术人员熟知燃料电池系统的这些元件的一般结构和功能，因而本文没必要对其进行更全面的描述。
如图2所示，燃料电池22的示例性燃料电池可包括阴极侧34、阳极侧36、夹在阴极侧34和阳极侧36之间的电解质部分38、和跨过阴极侧34和阳极侧36的电路40。加压氢气供给至阳极侧36而加压氧气(空气中的)供给至阴极侧34。
阳极侧36可包括阳极扩散介质42和阳极催化剂44，阳极催化剂44将氢气分离成电子和质子。过量的氢气则从阳极侧36流走并可再循环通过堆16或回到燃料源12(图1)。由于电解质部分是H+离子导体，因而质子从阳极侧36移动，通过电解质部分38到达阴极侧34。但是由于电解质部分38也是电绝缘体，故其促使电子流动通过电路40而在到达燃料电池22的阴极侧34的途中作有用功。
阴极侧34可包括阴极扩散介质46和阴极催化剂48，阴极催化剂48将加压氧气(空气中的)电催化，用于与从阳极侧36流动通过电解质部分38的质子以及流动通过电路40的电子相结合，藉此产生水作为反应副产物。
电负载50可跨过导电板连接到电路40中，导电板可包括在阴极侧34上的阴极板52和在阳极侧36上的阳极板54。在板52、54邻近另一个燃料电池(未示出)时板52、54可为双极板，或在板52、54处于燃料电池堆16的端部(图1)时板52、54可为端板18、20。
另一个实施例可包括估算燃料电池的最小电压的方法，该方法可至少部分地作为上述系统10的操作环境中的一个或多个计算机程序来实施。本领域的技术人员也将认识到，根据任何数量的实施例的方法可采用其它操作环境中的其它燃料电池系统来实施。现参考图3，以流程图的形式描述了示例性方法300。在进行方法300的描述时，将参考图1中的示例性系统10。
在步骤310，可用任何合适的方式开始该方法，例如，在燃料电池堆的启动时开始。
在步骤320，可测量燃料电池堆的堆电压。例如，电压监测装置24可用作测量堆16的堆电压(VS)的装置。
在步骤330，可计算燃料电池堆的平均电池电压。例如，控制器26可用作将所测量堆电压除以堆16中的分立燃料电池22的数量而得到平均电池电压(VC，ave)的装置。
在步骤340，可测量燃料电池堆中多个燃料电池组的一个或多个组电压。例如，电压监测装置24可用作测量燃料电池组G1至GN中的一个或多个的电压的装置。
在步骤350，多个燃料电池组中的一组可被识别为具有最小组电压(VG，min)，最小组电压(VG，min)低于所述多个组中其余组的测量组电压。例如，控制器26可用作将所述多个组的所有测量组电压进行比较并识别其中的最小值来作为最小组电压(VG，min)的装置。
在步骤360，可计算被识别为具有最小组电压(VG，min)的组的组电压偏差(Y)。例如，控制器26可用作计算偏差(Y)的装置，通过将所识别组的燃料电池数量(NM)乘以步骤330中所计算的平均电池电压，从该乘积再减去步骤350中所识别组的测量组电压。换句话说，Y＝NM*VC，ave-VG，min。
在步骤370，可根据关系式来计算被识别为具有最小组电压(VG，min)的组的最小电池电压(VGC，min)。例如，控制器26可用作按关系式的下述步骤来计算最小电池电压(VGC，min)的装置。
在关系式的第一步骤中，如果Y小于或等于某值，例如第一值，则VGC，min等于VG，min减去(NM-1)*(VC，ave)。该第一值可为约700mV±100mV。贯穿本说明书所使用的用语“约”包括正负15％。
在关系式的第二步骤中，根据第一实施例，如果Y大于该第一值，则VGC，min等于VG，min乘以某常值。该常值可为约1/3。
根据第二步骤的另一个实施例，如果Y大于或等于该第一值，则VGC，min等于VG，min加上某变量。该变量可基于电流密度而定，且可在查询表中提供，该查询表可存储在存储器32中并由控制器26的处理器30执行。例如，查询表的输入参数可包括Y和作为阳极电势损耗的指示的电流密度。下面，表1示出了使用Y的范围作为一个输入以及电流密度的范围作为另一输入的示例性输出变量。表1
根据第二步骤的又一个实施例，如果Y大于该第一值但是小于第二值，则VGC，min等于VG，min乘以第一常值，该第一常值与上述的常值相同。第二值可为约1400mV。
在关系式的第三步骤中，如果Y大于或等于该第二值，则VGC，min等于VG，min乘以第二常值。第二常值可为约2/3。
方法步骤370的关系式包括可包括比本文所阐述的步骤更少或更多的步骤。关系式的步骤数量可基于本领域的技术人员熟知的任何合适堆和/或系统参数(例如，堆可用状态、堆中水的量和堆温度)而确定。此外，本领域的技术人员将会认识到，可对关系式以任何合适的方式进行平滑处理以便解决步骤之间的任何不连续性。同样地，常值可基于本领域的技术人员熟知的任何合适堆和/或系统参数(例如，平均堆电压、堆可用状态和寿命、堆和/或系统的模式(启动、关闭、冻结、运行、待机)和湿度或温度设定点)而确定。
在步骤380，可用任何合适的方式结束该方法，例如，在燃料电池堆关闭时结束。
该方法可作为计算机程序来执行，且各种电压、常值、值和任何其它参数可作为查询表等存储在存储器中。计算机程序可以活动的和非活动的多种形式存在。例如，计算机程序可作为软件程序(包括源代码、目标代码、可执行代码或其它格式的程序指令)；固件程序；或硬件描述语言(HDL)文件。在计算机可读或可用介质中可实施上述任何一种，该介质包括压缩或非压缩形式的一个或多个存储装置和/或信号。示例性计算机可用存储装置包括常规的计算机系统RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)、EPROM(可擦除、可编程的ROM)、EEPROM(电可擦除、可编程的ROM)以及磁盘或光盘或磁带。因此，应当理解该方法可由能够执行上述功能的任何装置来至少部分地执行。
图4示出了将现有技术估算最小电池电压的结果与本文估算最小电池电压的方法的示例性实施例的结果的对比。为了评价根据本文的技术教导所获得的最小电压估算的改进，采用燃料电池堆进行测试。
燃料电池堆通常包括301个分立燃料电池和每组具有两个电池的149个燃料电池组。为了进行测试，使用电池电压监测器来测量所有分立电池的电压，且通过将组中两个电池电压相加来模拟电池组电压，从而确定电池组的最小电压。同样，堆中的电流密度(电流/电池面积)在从0.1A/CM2至0.9A/CM2的范围内变化。
多个测量值A至K是从相同的燃料电池堆中得到的，包括堆范围的平均电池电压(通过将总计堆电压除以堆中分立燃料电池的数量而计算出)。组M表示对于给定的测量值样本堆中具有最低电压的燃料电池组。在不同的样本中，组M可能是或可能不是同样的实际电池组。为了校验实验的结果，组M的分立燃料电池(电池1和电池2)的电压被测量。如图所示，其它电压被确定并计算，包括组M的实际最小电池电压、组M的总计电压和组M的平均电池电压。
根据原有的现有技术，所估算的最小电压等于组M的总计电压减去堆范围的平均电池电压。通过从组M的测量实际最小电压减去组M的估算最小电压来计算现有技术中的误差。确定绝对误差值，并确定从该绝对误差值计算的平均误差为352毫伏。
根据本文公开方法的示例性实施例，用图4所示的关系式来计算所估算的最小电压。通过从组M的测量实际最小电压减去组M的估算最小电压来计算该示例性实施例中的误差。确定绝对误差值，并确定从该绝对误差值计算的平均误差为193毫伏，至少在该示例中该值几乎为现有技术的一半。
现有技术的图5和图6演示了用现有技术估算最小电池电压的示例性结果与本文估算最小电池电压的方法的示例性实施例的结果的对比。为了评价根据本文的技术教导所获得的最小电压估算值的改进，采用燃料电池堆进行测试。
使用与前文参考图4所述相同的测试设置。
现有技术的图5是作为使用另一个现有技术估算最小电池电压的结果的估算电压的误差的直方图，单位是mV，其中所估算最小电压仅等于：组M的总计电压减去，组M中的电池数减去1乘以堆范围的平均电池电压。换句话说，VGC，min＝VG，min-(NM-1)*(VC，ave)。误差的范围确定为约1280mV，其中平均误差为约1317mV及标准差为约239mV。
图6是作为使用本文公开方法的示例性实施例的结果的估算电压的误差的直方图，单位是mV。误差的范围确定为约700mV，以及平均误差为约156mV和标准差为约197mV。
上文描述的实施例本质上仅为示例性的，故因此，对其的变型不应认为脱离所附权利要求的精神和范围。
Claims (23)
1.一种估算燃料电池的最小电压的方法，包括：
测量燃料电池堆的堆电压VS；
计算所述堆的平均电池电压VC，ave；
测量所述堆的多个燃料电池组的组电压；
识别所述多个组中具有最小组电压VG，min的组，最小组电压VG，min低于所述多个组中其余组的测量组电压；
通过将所识别组的燃料电池数量NM乘以所计算的平均电池电压，再减去所识别组的测量组电压，来计算所识别组的组电压偏差Y；和
根据关系式来估算所识别组的最小电池电压VGC，min，在所述关系式中：
如果Y小于或等于某值，则VGC，min等于VG，min减去(NM-1)*(VC，ave)；和
如果Y大于所述值，则VGC，min等于VG，min乘以某常值或VG，min加上某变量中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
如果Y大于所述值但是小于第二值，则VGC，min等于VG，min乘以所述常值；和
如果Y大于或等于第二值，则VGC，min等于VG，min乘以第二常值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述常值为约1/3。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第二常值为约2/3。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述值为约700mV。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第二值为约1400mV。
7.根据权利要求2所述的方法，其中，所述常值为约1/3且所述第二常值为约2/3。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述值为约700mV且所述第二值为约1400mV。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述变量基于电流密度而定。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述变量由查询表提供。
11.一种估算燃料电池的最小电压的方法，包括：
识别燃料电池堆的多个燃料电池组中具有最小组电压VG，min的组，最小组电压VG，min低于所述多个组中其余组的任何组电压；
通过将所识别组的燃料电池数量NM乘以燃料电池堆的平均电池电压VC，av，再减去所述最小组电压，来计算所识别组的组电压偏差Y；和
根据关系式来估算所识别组的最小电池电压VGC，min，所述关系式包括步骤：
如果Y小于或等于某值，则VGC，min等于VG，min减去(NM-1)*(VC，ave)；
如果Y大于所述值，则VGC，min等于VG，min乘以某常值。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述关系式包括第二步骤：如果Y大于所述值但是小于第二值，则VGC，min等于VG，min乘以所述常值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述常值为约1/3。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述值为约700mV。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述关系式包括第三步骤，其中如果Y大于或等于第二值，则VGC，min等于VG，min乘以第二常值。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第二常值为约2/3。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第二值为约1400mV。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述关系式包括第二步骤，其中如果Y大于所述值，则VGC，min等于VG，min加上某变量。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述变量基于电流密度而定。
20.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个燃料电池，所述多个燃料电池中的至少一些被聚集成多个组；
联接到所述燃料电池堆的电压监测装置，用于测量所述燃料电池堆的堆电压和所述多个组中的至少一些的组电压；和
联接到所述电压监测装置的控制器，用于：
计算所述堆的平均电池电压VC，ave；
识别所述多个组中具有最小组电压VG，min的组，最小组电压VG，min低于所述多个组中其余组的测量组电压；
通过将所识别组的燃料电池数量NM乘以所计算的平均电池电压，再减去所识别组的测量组电压，来计算所识别组的组电压偏差Y；和
根据关系式来估算所识别组的最小电池电压VGC，min，在所述关系式中：
如果Y小于或等于某值，则VGC，min等于VG，min减去(NM-1)*(VC，ave)；和
如果Y大于该值，则VGC，min等于VG，min乘以某常值或VG，min加上某变量中的至少一个。
21.根据权利要求20所述的燃料电池系统，其中，根据所述关系式，
如果Y大于所述值但是小于第二值，则VGC，min等于VG，min乘以所述常值；和
如果Y大于或等于第二值，则VGC，min等于VG，min乘以第二常值。
22.根据权利要求20所述的燃料电池系统，其中，所述变量基于电流密度而定。
23.一种估算燃料电池的最小电压的系统，包括：
用于识别燃料电池堆的多个燃料电池组中具有最小组电压VG，min的组的装置，最小组电压VG，min低于所述多个组中其余组的任何组电压；
用于计算所识别组的组电压偏差Y的装置，通过将所识别组的燃料电池数量NM乘以燃料电池堆的平均电池电压VC，ave，再减去最小电池电压VGC，min；
根据关系式来估算所识别组的最小电池电压VGC，min的装置，所述关系式包括步骤：如果Y小于或等于某值，则VGC，min等于VG，min减去(NM-1)*(VC，ave)；如果Y大于所述值，则VGC，min等于VG，min乘以某常值。
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