CN102340014B - 用于燃料电池监控电路的经堆通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃料电池监控电路的经堆通信方法。具体地，提供了一种用于监控燃料电池组中燃料电池的系统和方法。该系统包括监控燃料电池的状况的传感器电路，诸如电压传感器电路。如果传感器电路检测到低性能电池，则它将发送信号至音频发生器，该音频发生器产生频率信号，所述频率信号将负载接入电池组以及将负载与电池组断开。电压传感器检测包括了该频率信号的电池组的电压，并将检测到的电压信号发送至音频解码器，所述音频解码器解码频率信号以确定燃料电池为低性能。

Description

用于燃料电池监控电路的经堆通信方法
发明领域
本发明一般涉及一种用于监控燃料电池堆中燃料电池的性能的系统及方法，尤其是涉及用于监控包括传感器和音频发生器的燃料电池堆中燃料电池的性能的系统及方法，其中该传感器用于检测燃料电池的不期望状况，且该音频发生器响应于通过合适电路所检测到的上述状况而产生AC音频。
背景技术
氢是一种非常有吸引力的燃料，因为其清洁且能用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是一种电化学器件，其包括阳极、阴极以及介于两者之间的电解质。阳极接收氢气，而阴极接收氧气或者空气。氢气在阳极中分解以产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与阴极中的氧气和电子反应而产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，因此在被送到阴极之前被引导通过负载而执行工作。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种流行的用于车辆的燃料电池。PEMFC一般地包括固态聚合物电解质质子导电膜，诸如全氟磺酸膜。阳极和阴极往往包括精细的催化颗粒，一般为铂(Pt)，其分布在碳颗粒上且与离聚物混合。催化混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物、以及膜的组合共同限定了膜电极组件(MEA)。MEAs的制造较贵，并且还需要特定的条件才能有效工作。
往往通过串联将数个燃料电池结合在燃料电池堆中以产生期望的功率。例如，用于车辆的典型的燃料电池堆可具有两百或者更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常是通过压缩机强制通过所述堆的空气流。不是所有的氧气都被堆消耗，一些空气作为阴极废气输出，所述废气可包括作为堆的副产品的水。燃料电池堆还接收流进堆的阳极侧的阳极氢气反应气体。堆还包括供冷却流体流动通过的流动通道。
燃料电池堆包括一系列布置在所述堆中的数个MEAs之间的双极板，其中双极板和MEAs都被布置在两个端板之间。对于堆中相邻的燃料电池而言，双极板包括阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道被提供在双极板的阳极侧从而允许阳极反应气体流动至相应的MEA。阴极气体流动通道被提供在双极板的阴极侧从而允许阴极反应气体流动至相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，而另外一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板都由导电材料制成，诸如不锈钢或者导电合成物。端板将由燃料电池产生的电传导至堆外。双极板还包括供冷却流体流动通过的流动通道。
随着燃料电池的老化，燃料电池堆中单独的燃料电池的性能的退化因为各种因素而不同。存在不同的原因而导致电池的低性能，比如电池溢流、催化剂的流失等，一些是暂时的而一些则是永久的，一些需要维护，而一些则需要堆置换以换掉那些低性能的电池。虽然这些燃料电池串联地电联接在一起，但是当负载并联到堆上时，每个电池的电压不同程度地下降，其中那些低性能的电池具有更低的电压。因此，有必要对堆中的燃料电池的电池电压进行监控，以确保电池的电压不会降到低于预定阈值电压，从而防止电池电压的极性反转，由此防止可能对电池造成永久的损伤。
通常，燃料电池堆中的每个燃料电池的输出电压被监控，使得系统可知道燃料电池电压是否太低，燃料电池电压太低表示了可能的失效。正如本领域所理解的那样，因为所有的燃料电池都以串联的方式电联接，所以如果堆中的一个燃料电池失效，那么整个堆都会失效。可以对失效的燃料电池采取某些补救措施作为临时的解决方案，比如增加氢气流量和/或增加阴极的化学计量值(stoichiometry)，直到燃料电池车辆能够被维修时为止。
燃料电池的电压通常是通过电池电压监控子系统去测量，其中电池电压监控子系统包括连接至堆中的每个双极板、或者一些数量的双极板和连接至堆的端板的电连接，以便测量每个电池的正极侧与负极侧之间的电压电势。因此，一个400个电池的堆可能包括连接至该堆的401条导线。因为考虑到零件的尺寸、零件的容差、以及零件的数量等，在具有如此多燃料电池的堆中对每个双极板都提供物理连接是不实际的，并且零件的数量增加了成本且降低了系统的可靠性。
正如以上所讨论的那样，本领域已知的是，通过处理燃料电池堆中的燃料电池的电信号来确定燃料电池堆是否如所期望的那样运行。常常，因为与监控每个电池相关联的成本，所以电信号处理是每隔一个电池来进行的。此外，也很难在可用的空间中提供所需的部件以监控每一电池。为了消除利用多个互联导线将燃料电池测量电路连接至燃料电池堆的必要，期望在燃料电池堆组件的结构内直接嵌入上述测量电路。这种嵌入式测量电路不需要增加很高的成本，并且能允许对所有燃料电池进行监控。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种用于监控燃料电池组中的燃料电池的系统和方法。该系统包括监控燃料电池的状况的传感器电路，诸如电压传感器电路。如果传感器电路检测到低性能电池，那么它将发送信号至音频发生器，其产生将负载接入电池组以及将负载从电池组断开的频率信号。电压传感器检测包括上述频率信号的电池组电压，以及将检测到的电压信号发送至音频解码器，其解码频率信号以确定燃料电池为低性能。
本发明还包括如下方案：
方案1.一种用于监控燃料电池组中的燃料电池的系统，所述系统包括：
至少一个用于监控所述燃料电池组中燃料电池的状况的传感器电路；
用于当传感器检测到所述状况时施加频率信号至所述电池组的音频发生器；和
用于检测来自所述电池组且由所述音频发生器产生的所述频率信号的音频解码器。
方案2.根据方案1所述的系统，进一步包括开关和负载，所述音频发生器将所述开关接通和断开，以使所述负载与所述燃料电池组并联连接和使所述负载从所述燃料电池组断开，从而产生所述频率信号。
方案3.根据方案2所述的系统，其中，所述开关是半导体开关。
方案4.根据方案2所述的系统，其中，所述负载是电阻性负载。
方案5.根据方案1所述的系统，进一步包括低通滤波器，用于防止所述频率信号被所述传感器电路检测到。
方案6.根据方案1所述的系统，其中，所述电池组是包括有多个电池组的燃料电池堆的一部分，每个电池组包括单独的传感器电路和用于向所述电池组提供频率信号的音频发生器。
方案7.根据方案1所述的系统，进一步包括电压传感器，其用于测量所述燃料电池组的电压，并产生包括电池组电压和所述频率信号的传感器信号。
方案8.根据方案7所述的系统，进一步包括滤波器，其用于从所述传感器信号中过滤掉所述电池组电压，并且将所述频率信号提供至所述音频解码器。
方案9.根据方案1所述的系统，其中，所述至少一个传感器电路监控所述燃料电池组中燃料电池的电压。
方案10.根据方案9所述的系统，其中，所述传感器电路监控所述燃料电池组中每个燃料电池的电压。
方案11.一种用于监控燃料电池组中的燃料电池的系统，所述系统包括：
传感器电路，所述传感器电路用于监控所述燃料电池组中的一个或多个燃料电池的电压；
音频发生器，所述音频发生器用于当由所述传感器电路检测到的所述燃料电池的电压降到低于预定阈值时产生音频信号；
开关，所述开关接收来自所述音频发生器的音频信号，并且响应于所述音频信号的频率而接通和断开；
负载，所述负载联接至所述开关，并且随着所述开关的开路和闭合而与所述燃料电池组并联联接以及与所述燃料电池组断开，从而在所述电池组中提供频率信号；
电压传感器，所述电压传感器用于测量所述燃料电池组的电压，并且提供包括电池组电压和所述频率信号的传感器信号；和
音频解码器，所述音频解码器用于对来自所述传感器信号的所述频率信号进行解码。
方案12.根据方案11所述的系统，其中，所述开关是半导体开关。
方案13.根据方案11所述的系统，其中，所述负载是电阻性负载。
方案14.根据方案11所述的系统，进一步包括低通滤波器，用于防止所述频率信号被所述传感器电路检测到。
方案15.根据方案11所述的系统，其中，所述电池组是包括有多个电池组的燃料电池堆的一部分，每个电池组包括传感器电路和用于向所述电池组提供频率信号的音频发生器。
方案16.根据方案11的所述系统，进一步包括滤波器，所述滤波器用于在所述传感器信号被发送至所述音频解码器之前从所述传感器信号中过滤掉所述电池组电压。
方案17.一种用于监控燃料电池组中的燃料电池的系统，所述燃料电池组是燃料电池堆的一部分，所述系统包括：
传感器电路，所述传感器电路用于监控所述燃料电池组中的一个或多个燃料电池的电压；
音频发生器，所述音频发生器用于当由所述传感器电路检测到的所述燃料电池的电压降到低于预定阈值时产生音频信号；
开关，所述开关接收来自所述音频发生器的音频信号，并且响应于所述音频信号的频率而接通和断开；
负载，所述负载联接至所述开关，并且随着所述开关的开路及闭合而与所述燃料电池组并联联接以及与所述燃料电池组断开，从而在所述电池组上提供频率信号；
低通滤波器，所述低通滤波器用于防止所述频率信号被所述传感器电路检测到；
电压传感器，所述电压传感器用于测量所述燃料电池组的电压，并且提供包括有电池组电压和所述频率信号的传感器信号；
滤波器，所述滤波器用于从所述传感器信号中过滤掉所述电池组电压；和
音频解码器，所述音频解码器用于接收和解码来自所述滤波器的所述频率信号。
方案18.根据方案17所述的系统，其中，所述开关是半导体开关。
方案19.根据方案17所述的系统，其中，所述负载是电阻性负载。
方案20.根据方案17所述的系统，其中，所述传感器电路监控所述燃料电池组中的每个燃料电池的电压。
本发明其余的特征将从以下结合附图的说明和所附权利要求书变得明显。
附图说明
图1是用于监控燃料电池组中的燃料电池的系统的示意性框图；以及
图2是图1所示的燃料电池组中的燃料电池的等效电路。
具体实施方式
以下对涉及用于监控燃料电池异常状况的系统和方法的本发明实施方式的讨论在本质上仅仅是示例性的，而不是意在限制本发明、或其应用或使用。
图1是用于监控燃料电池组14中的燃料电池12的性能的燃料电池系统10的示意性框图。在一个非限制性实施方式中，燃料电池组14包括大约15个燃料电池。燃料电池组14可以是包括许多上述这种燃料电池组的燃料电池堆的一部分，在这样的电池组中提供单独的系统10，用于监控每个单独的燃料电池组中的燃料电池的性能。因此，对于可能在燃料电池堆中包括400个左右的燃料电池的汽车应用而言，可能具有20-30个上述这样的燃料电池系统。
包括传感器监控电子元件的传感器电路16与燃料电池12并联地联接，并可以检测燃料电池12中的特定工作状况。在一个非限制性实施方式中，传感器电路16包括测量燃料电池组14中的燃料电池12的电压的电压传感器。在另外的实施方式中，传感器电路16可以检测其他的状况，比如湿度、温度、高频电阻(HFR)等等。当传感器电路16检测到指示了异常或者不期望的燃料电池工作的状况(诸如低电压)时，传感器电路16内的监控电子元件发送信号至音频发生器18，音频发生器18提供信号至MOSFET开关20，以便使开关20接通和断开。当开关20闭合时，负载22(比如电阻性负载)与电池组14并联地联接，而当开关20开路时，负载22与电池组14断开，这导致了施加至电池组14的频率信号。音频发生器对开关20进行开关的频率确定了施加至电池组14的AC信号的频率。低通滤波器24防止该频率信号被传感器电路16检测到。通常，音频发生器18提供的频率信号将是比较高频的，比如大于10kHz。施加至燃料电池组14的频率信号被提供为叠加在由燃料电池组14提供的DC功率信号上。
通过将负载22接入到电池组电路中以及将负载22与电池组电路断开，在开关20工作的时间期间，每个电池12中的MEAs的电极处的电容被充电并随后被放电，从而产生了可检测的信号。图2是用于燃料电池的等效电路26，其示出了代表放电并产生可检测信号的电容的伪电容28(Cphi)。
可替代地，音频发生器18可提供直接施加至电池组14以提供被检测的AC信号的调制信号。此外，通过音频发生器18可以提供多种音频，以便被用于减小BOP干涉。
如所示出的那样，线路在电池组14的端部处连接至传感器电路16并且对传感器电路16提供功率。此外，这些线路可以用于检测电池组14的电压或者其他状况，作为单独的可检测值。然而，尽管没有具体示出从每个电池12连接到传感器电路16的单独线路，但是传感器电路16意在表示能检测电池组14中的电池12的一些或所有电压、或者每个电池12的一些其他状况的任何传感器。此外，传感器电路16、音频发生器18、开关20、负载22以及低通滤波器24的组合可以被组合在一起并且嵌入在燃料电池堆中以节约空间。
当频率信号被施加至电池组14时，使用电池组14的外部传感电路来检测作为燃料电池12中可能存在一些问题的指示的信号。堆电压传感器30检测整个燃料电池堆的电压，电池组14是所述燃料电池堆的一部分。燃料电池堆内的其他电池组可以通过其他的系统10来监控。除了检测堆电压，传感器30当音频发生器18施加AC频率信号时还检测AC频率信号。滤波器/放大器电路32将DC电池电压从由传感器30所检测的电压中移除，使得AC频率信号全部保留，并且放大该频率信号。音频解码器34检测AC频率信号并调谐至音频发生器18。如果音频解码器34确实检测到AC频率信号，则其提供控制逻辑信号至系统控制器36，显示电池组14、以及可能电池组14内的具体电池12存在问题。与特定的燃料电池堆相关联的每个系统10中的每个音频发生器18能产生不同的、可被音频解码器34解码的音频，使得控制器36知道系统10中的哪一个在为特定的电池组14提供AC频率信号。
之前的详述仅仅公开和描述了本发明的示例性实施方式。本领域技术人员可以从这样的详述中、以及从附图和权利要求书中很容易地认识到，在没有偏离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，能够对其所作出的各种改变、修改以及变化。

Claims (10)

1.一种用于监控燃料电池组中的燃料电池的系统，所述系统包括：
传感器电路，所述传感器电路用于监控所述燃料电池组中的一个或多个燃料电池的电压；
音频发生器，所述音频发生器用于当由所述传感器电路检测到的所述燃料电池的电压降到低于预定阈值时产生音频信号；
开关，所述开关接收来自所述音频发生器的音频信号，并且响应于所述音频信号的频率而接通和断开，其中所述传感器电路、所述音频发生器和所述开关被嵌入在燃料电池堆中；
负载，所述负载联接至所述开关，并且随着所述开关的开路和闭合而与所述燃料电池组并联联接以及与所述燃料电池组断开，从而在所述电池组中提供频率信号；
电压传感器，所述电压传感器用于测量所述燃料电池组的电压，并且提供包括电池组电压和所述频率信号的传感器信号；和
音频解码器，所述音频解码器用于对来自所述传感器信号的所述频率信号进行解码。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述开关是半导体开关。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述负载是电阻性负载。
4.根据权利要求1所述的系统，进一步包括低通滤波器，用于防止所述频率信号被所述传感器电路检测到。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电池组是包括有多个电池组的燃料电池堆的一部分，每个电池组包括传感器电路和用于向所述电池组提供频率信号的音频发生器。
6.根据权利要求1的所述系统，进一步包括滤波器，所述滤波器用于在所述传感器信号被发送至所述音频解码器之前从所述传感器信号中过滤掉所述电池组电压。
7.一种用于监控燃料电池组中的燃料电池的系统，所述燃料电池组是燃料电池堆的一部分，所述系统包括：
传感器电路，所述传感器电路用于监控所述燃料电池组中的一个或多个燃料电池的电压；
音频发生器，所述音频发生器用于当由所述传感器电路检测到的所述燃料电池的电压降到低于预定阈值时产生音频信号；
开关，所述开关接收来自所述音频发生器的音频信号，并且响应于所述音频信号的频率而接通和断开；
负载，所述负载联接至所述开关，并且随着所述开关的开路及闭合而与所述燃料电池组并联联接以及与所述燃料电池组断开，从而在所述电池组上提供频率信号；
低通滤波器，所述低通滤波器用于防止所述频率信号被所述传感器电路检测到，其中所述传感器电路、所述音频发生器、所述开关、所述负载和所述低通滤波器被嵌入在燃料电池堆中；
电压传感器，所述电压传感器用于测量所述燃料电池组的电压，并且提供包括有电池组电压和所述频率信号的传感器信号；
滤波器，所述滤波器用于从所述传感器信号中过滤掉所述电池组电压；和
音频解码器，所述音频解码器用于接收和解码来自所述滤波器的所述频率信号。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述开关是半导体开关。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述负载是电阻性负载。
10.根据权利要求7所述的系统，其中，所述传感器电路监控所述燃料电池组中的每个燃料电池的电压。
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