CN102437350A - 产生虚拟声源以监控燃料电池组的工作状态的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种产生虚拟声源以监控燃料电池组的工作状态的装置和方法，用于在工作过程中实时监控燃料电池组中的多个电池的偏差和劣化，并将结果表示为一种和弦或不同的声音，因而可以使驾驶者容易地识别燃料电池组的工作状态。

Description

产生虚拟声源以监控燃料电池组的工作状态的装置和方法
技术领域
本公开涉及一种产生虚拟声源以监控燃料电池组的工作状态的装置和方法。本发明更具体涉及这样一种产生虚拟声源以监控燃料电池组的工作状态的装置和方法，其在工作过程中实时监控燃料电池组中多个电池的偏差和劣化，并将结果表示为一种和弦或不同的声音，因而可以使驾驶者容易识别燃料电池组的工作状态。 
背景技术
燃料电池汽车作为使用电池的零排放汽车和电动汽车具有燃料效率提高，噪音减少等多方面优点，并且作为下一代汽车已引起诸多观注。 
不考虑这些优点，燃料电池汽车和电动汽车不会产生能被驾驶者听到或预见到的噪音，因此引出虚拟声源的概念。 
在韩国专利公开号10-2009-0116320中公开一种燃料电池汽车的发声装置，用于实时产生驾驶者想听的声音以满足驾驶者的情感需求并且使行人可识别所述声音，以避免安全事故。 
在日本专利公开号1999-288291中公开一种由电动机驱动的电动汽车，其根据汽车的工作状态产生虚拟声音以引起驾驶者的注意。 
尽管上述技术产生与汽车的速度或动力成比例增大或减小的声音，以使驾驶者和行人可听见地识别汽车，然而人造的声音重复发出，比较单调。而且，当很多汽车产生相同的单调声音时，汽车之间没有区别，结果仅产生噪音。 
尽管利用简单的虚拟声音引起驾驶者和行人注意具有一定的优点，但是很多汽车所产生的相同声音形成噪音，并且驾驶者很难识别汽车的工作状态。 
发明内容
本发明将用于解决现有技术中存在的上述问题。因此，本发明提供一种用于产生虚拟声源以监控燃料电池组工作状态的装置和方法，其监控燃料电池汽车中的燃料电池组的工作状态以产生随着燃料电池组工作状态实时变化的和弦或不同的声音，以使驾驶者和行人能够听到不同的声音，而不是噪音，并且产生一种表明燃料电池组是否存在异常状态的报警声，由此使驾驶者可容易地识别燃料电池组的工作状态。 
在一方面中，本发明提供一种产生虚拟声源以监控燃料电池组工作状态的装置，该装置包括：包含多个电池的燃料电池组；传感器单元，包含用以检测燃料电池组的工作状态的多个传感器；控制器，接收传感器单元的信号，并基于传感器单元的多个信号选择一种和弦，或者基于传感器单元的每个信号选择特定声音；发声器，接收控制器的信号，并基于相应传感器的信号产生一种和弦，或者产生由控制器选择的声音；用户界面，调整由发声器产生的声音的类型和音量。 
在一个优选实施方式中，传感器单元包括：温度传感器，检测提供给燃料电池组以及从燃料电池组排出的空气，氢气和冷却剂的温度；电流传感器，检测燃料电池组的电流信号；氢气传感器，检测从燃料电池组排出的氢气的浓度；多个电池电压传感器，用来检测在燃料电池组中的电池发电时，与电流对应的电池电压；和频率检测器，根据总谐波失真方法(total harmonic distortion method，THD)检测燃料电池组的响应频率。 
在另一方面中，本发明提供一种产生虚拟声源以监控燃料电池组的工作状态的方法，该方法包括：监控燃料电池组的工作状态；基于燃料电池组的工作状态选择一个特定的和弦或声音并产生所选择的和弦或声音；以及允许驾驶者听到所产生的和弦或声音以及识别燃料电池组的工作状态是正常还是异常。 
在一个优选实施方式中，在选择和弦或声音的步骤中，可产生根据工作过程中燃料电池组的输出传感器的信号的虚拟声音，并且，与此同时，还可产生根据燃料电池组的多个电池电压、燃料电池组的电 流以及对应于THD的燃料电池组的响应频率的一个不同的和弦或声音。 
在另一个优选实施方式中，该方法还包括调整所生成的和弦或声音的类型和音量。
在下文中将讨论本发明的其他方面和优选实施方式。 
应当理解本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似的术语包括，诸如包括运动用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的载客汽车的机动车辆；包括各种船和艇的水运工具；航行器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插入式混合电动车辆、氢动力车辆和其它可选的燃料车辆(例如从除了石油以外的资源中获得的燃料)。如本文所提及的，混合动力车是指具有两种或者多种动力源的车辆，例如既有汽油动力又有电动力的车辆。 
下文中将讨论本发明的上述以及其它特征。 
附图说明
现在将参考通过附图示出的本发明的某些典型实施方式来详细描述本发明的上述及其它特征，其中附图将在下文中仅通过例证的方式给出，并且因此并非对本发明进行限制，其中： 
图1是示出根据本发明一个优选实施方式的用来产生虚拟声源以监控燃料电池组工作状态的装置的结构图； 
图2a、2b和2c是示出从工作状态下的燃料电池组的多个电池测量的电压分布图； 
图3是示出由用来检测空气、氢气和冷却剂温度的温度传感器检测的作为燃料电池工作状态的测量信号的图； 
图4是示出在燃料电池处于工作状态时燃料电池组的输出功率状态图； 
图5a和5b是示出燃料电池处于工作状态时的电流-电压特性曲线图；图5A示出一个正常电池和一个异常电池的电流-电压特性曲线，而图5b示出正常电池与异常电池比率为5∶1时的燃料电池组的电流-电压特性曲线； 
图6a和6b示出利用THD方法分析得到的燃料电池组的工作状态的实施例的图；图6A示出仅仅包含正常电池的燃料电池组的响应特性，而图6b示出具有异常电池的燃料电池组的响应特性； 
图7是示出燃料电池组结构的示意图。 
下面将进一步讨论附图中涉及的以下元件的附图标记： 
100：燃料电池组                102：传感器单元 
104：控制器                    106：发声器 
108：用户界面 
应当理解，附图不必按比例绘制，而是呈现出说明本发明基本原理的各种优选特征的简化表示。本文中公开的本发明的特定设计特征，包括例如特定尺寸、方向、位置和形状，这些特征将部分地由期望的特定应用和使用环境来确定。 
在附图中，相同的附图标记表示本发明所有附图中的相同或等同部件。 
具体实施方式
下面将详细参考本发明的多个实施方式，在附图和下文的描述中将示出这些实施方式的具体实施例。尽管将结合典型的实施方式对本发明进行描述，然而应该理解这些描述并不试图将本发明限制在这些典型的实施方式上。相反，本发明不仅涵盖典型实施方式，还涵盖包括在由权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种变型、改进、等价及其它实施方式。 
在一方面中，本发明提供一种产生虚拟声源以监控燃料电池组工作状态的装置和方法，其特征在于从在工作中构成一个燃料电池组的多个单元电池接收不同的电压信号，并利用发声装置发出一种和弦，以使表现为和弦的操作声音能被驾驶者和行人听到。 
在另一方面中，本发明的特征在于根据装有燃料电池组的燃料电池汽车的工作状态再现不同的声音，以使驾驶者和行人听到并引起他们的注意，从而提高安全。另外，对应于燃料电池组的工作状态的不同声音被再现以使驾驶者能够容易地识别燃料电池组的电流状态。 
为了更好地理解本发明，下面参考图7简单地说明燃料电池组的构造。 
膜电极组件(MEA)置于燃料电池组中间，并且包括可以传输氢离子(质子)的聚合电解质膜10，和设置在聚合电解质膜10两侧的电极/催化剂层例如空气电极(阴极)12和燃料电极(阳极)14，其中将发生氢气和氧气之间的电化学反应。 
气体扩散层(GDL)16和垫片18被顺序层叠在设置阴极12和阳极14的MEA的两侧上。隔板20位于GDL16的外侧，其包括用于提供燃料并排放反应所产生水的流场；用于支撑和固定上述组件的端板30连接其两个端部中的每一个。 
在燃料电池组的阳极14上，氢气通过氧化反应被分离成氢离子(质子H+)和电子(e-)。氢离子和电子分别穿过电解质膜10和隔板20到达阴极12。在阴极12上，通过电化学反应产生水，其中在该电化学反应中氢离子和电子从阳极14传送，且空气中的氧气参与，且在同时，通过电子流产生电能。 
在燃料电池组上设有多种用于检测燃料电池组工作状态的传感器。 
传感器包括温度传感器，用于检测提供给燃料电池组以及从燃料电池组排出的空气、氢气和冷却剂的温度，其被设置在每个入口和出口。此外，在燃料电池组的预定位置上设置有用来检测电流信号的电流传感器、用于检测从燃料电池组排出的氢气浓度的氢气传感器，以及在燃料电池组中的电池发电时检测电池电压的多个电池电压传感器等。 
在某些实施方式中，还设有根据总谐波失真方法(THD)检测频率响应信号的频率检测器。 
在另一个实施方式中，根据本发明的装置和方法监控传感器单元的信号以指示燃料电池组的工作状态并根据该工作状态产生一个可听见的声音。在各个实施方式中，根据本发明的装置和方法根据传感器单元的信号产生类似和弦的复合声音，以使驾驶者听到并识别燃料电池组的电流状态。 
出于该目的，本发明用于产生虚拟声源的装置包括用于接收传感器单元102的信号并选择一个声音的控制器104，用于接收控制器104的信号并产生一种和弦或再现所选择声音的发声器106，以及用于调整由发声器106产生的声音的类型和音量的用户界面108。 
下面将描述某些实施方式中具有上述结构的本发明用于产生虚拟声源的方法。 
首先，在工作过程中，传感器单元102监控燃料电池组的工作状态。 
由温度传感器检测提供给燃料电池组100以及从燃料电池组100排出的空气、氢气和冷却剂的温度；由输出传感器检测燃料电池组100产生的电力输出(例如通过测量燃料电池组的总电流和电压来计算输出)；从燃料电池组100排出的氢气的浓度，作为用来确定燃料电池组100安全性的一个因素，由氢气传感器来检测；当燃料电池组100的电池发电时，由电压传感器检测来对应于电流的电压。 
此外，由频率检测器来检测燃料电池组100根据异常频率响应方法所产生的特定频率，影响燃料电池组100工作状态的各种因素都可被测量或检测。 
如图2c所示，根据燃料电池组在起动时、工作时和关闭时的设计，燃料电池组100的多个电池具有特定的电压分布曲线。即，多个电池输出不同的电压，而多个单元电池的电压输出由电压传感器测量。 
用来接收传感器单元102的信号的控制器104，根据传感器单元102的相应信号选择一种和弦或声音。 
由于传感器单元102的每个传感器根据燃料电池组100的工作状态提供一个不同的信号给控制器104，而控制器104基于每个传感器的信号选择一个不同的和弦或声音。 
在一个优选实施方式中，在从电压传感器接收构成燃料电池组100的多个单元电池的电压信号时，控制器104向发声器106发送一个将各单元电池的电压表示成一种和弦的信号，使得燃料电池组100的工作声音能够作为一种和弦被驾驶者和行人听见。 
随后，接收到控制器104的信号的发声器106产生所选择的声音。 
下面将讨论本发明的实施例，在这些实施例中根据各个传感器的信号来产生各种不同的声音；本发明并不受这些实施例的限制。 
实施例1：根据电池电压产生声音 
在燃料电池组的工作过程中，燃料电池组各电池的电压或几个电池的平均输出电压由电压传感器测量。图2a示出低功率级时的电池电压分布，图2b示出高功率级时的电池电压分布，而图2c示出在最初起始段电池电压的分布(以0.1秒的时间间隔测量)。 
燃料电池组的多个单元电池示出在起动时、工作时和关闭时的特定电压分布曲线，并输出不同的电压。相应地，由多个单元电池产生的电压由电压传感器测量。在此情况下，可以对所有的单元电池进行测量得到电池电压，也可利用通过测量几个电池的电压得到一个平均值来得到电池电压。 
当从电压传感器接收燃料电池组的多个单元电池的电压信号时，控制器104向发声器106发送一个将各个电池的电压表示成一种和弦的信号。 
随后，发声器106表示(express)燃料电池组的工作声音以响应控制器104的信号，即各个电池的输出电压声音的第一个和弦，使得燃料电池组的工作声音作为一种和弦能被驾驶者和行人听到。 
在此，产生与各电池电压相对应的具有不同音调或音高(pitch)的声音，并且异常电池将产生不同的声音使得驾驶者能够听到并识别燃料电池组的电池电压存在异常。 
如果性能劣化，其中在多个电池中发生某个特定电池的电压快速降低，则由发声器产生的和弦听起来像乱音，以使驾驶者能够听到并意识到燃料电池组的多个电池中某个电池的输出电压存在异常。 
如此，将根据电池电压所产生的声音表示成一种和弦。可选地，可根据操作燃料电池组的各种因素，例如燃料电池组的温度、燃料电池组的输出，以及电流-电压传感器等，有选择地产生各种不同的声音(例如，根据异常频率响应方法的燃料电池组的频率响应特征)。这些将在下面进行讨论。 
实施例2：根据燃料电池组的温度产生声音 
在燃料电池组工作期间，提供给燃料电池组以及从燃料电池组排出的空气、氢气以及冷却剂的温度作为确定燃料电池组性能的因素被检测。图3示出由燃料电池组的温度传感器检测信号的一个实施例。 
相应地，控制器在燃料电池组工作期间接收温度传感器的信号，如果温度传感器的测量值超出正常范围，则选择第二种和弦。然后，发声器产生用来指示温度异常的第二种和弦，以使驾驶者听到并意识到燃料电池组的温度存在异常。 
实施例3：基于燃料电池组的输出功率产生声音 
如图4的输出波形所示，在燃料电池组工作期间，根据驾驶者的驾驶风格或驾驶模式产生各种输出，如果必要则限制输出功率。基于燃料电池组的功率输出产生具有不同强度，音高和音调的声音。相应地，控制器接收燃料电池组的输出信号，并且如果确定出燃料电池组的输出功率因燃料电池组或系统的一个异常因素而受限，则选择第三种和弦。然后，发声器产生表明燃料电池组的输出异常的第三种和弦，以使驾驶者能够听到并意识到燃料电池组的输出存在异常。 
实施例4：基于由THD方法得到的燃料电池组的响应频率来产生声音 
如图5a所示，燃料电池组100的每个电池具有内在的电流-电压特性曲线，并且异常电池可能与正常电池并存。图5b示出与由五个正常电池和一个异常电池并存的燃料电池组的电流对应的总电压。 
频率响应方法能够不通过电压传感器测量各电池的电压而检测到异常电池。图6a示出作为仅含有正常电池的燃料电池组的频率响应信号的频率响应曲线，图6b示出作为含有异常电池的燃料电池组的频率响应信号的频率响应曲线。 
如图6a所示，在燃料电池组中出现异常电池的情况下，通过频率检测器检测不同于输出频率的频率。在接收来自频率检测器的检测信号时，控制器确定频率异常并选择第四种和弦。然后，发声器产生表明燃料电池组中含有异常电池的第四种和弦，以使驾驶者听到并意识到燃料电池组中含有异常电池。 
同时，可以使用连接到发声器以向发声器传输电信号并从发声器 接收电信号的用户界面，来改变发声器所产生声音的类型或调整声音的音量。 
同样地，根据本发明所述的产生虚拟声源以监控燃料电池组工作状态的装置和方法适用于使用由多个电池构成的蓄电池的混合动力车或电动汽车，以及使用燃料电池组的燃料电池汽车。 
即，在蓄电池被安装到电动汽车或混合动力车的情况下，可以通过使用由蓄电池管理系统(BMS)测量所得的各电池的电压、蓄电池的输出、蓄电池的温度，以及蓄电池的充电状态(SCO)来生成上述虚拟声源。 
如上所述，本发明具有以下效果： 
(1)在不产生噪音的汽车中，如燃料电池汽车、电动汽车、混合动力车等，将类似钢琴键的功能提供给燃料电池组或蓄电池中的数十至数百个电池的电压信号或者数个电池的平均电压信号，使得电压信号或平均电压信号被表示成类似和弦的虚拟声音，因此使驾驶者或行人可以容易地识别燃料电池组的工作状态； 
(2)当在汽车行驶过程中产生虚拟声音时，可以为驾驶者和行人提供可听到的信号，因而能确保安全；以及 
(3)特别是在驾驶者能通过可听信号识别汽车中安装的燃料电池组的工作状态时，驾驶者可以简单地确定燃料电池组的正常和异常的工作状态。 
上面已经参考优选实施方式对本发明进行详细的描述。然而，本领域普通技术人员应当知道，在不背离本发明的原则和精神的情况下，还可以对这些实施方式进行各种变形，本发明的保护范围由所附的权利要求及其等效物来限定。 

Claims (7)

1.一种产生虚拟声源以监控燃料电池组的工作状态的装置，所述装置包括：
包括多个电池的燃料电池组；
传感器单元，包括用来检测所述燃料电池组的工作状态的多个传感器；
控制器，用来接收所述传感器单元的信号，以基于所述传感器单元的多个信号选择一种和弦或者基于所述传感器单元的每个信号选择特定的声音；
发声器，用来接收所述控制器的信号，以基于各个传感器的信号产生和弦或者产生由所述控制器选择的声音；以及
用户界面，用来调整由所述发声器产生的声音的类型和音量。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述传感器单元包括：
温度传感器，用来检测供应给所述燃料电池组以及从所述燃料电池组排出的空气、氢气以及冷却剂的温度；
输出传感器，用来检测所述燃料电池组的输出信号；
氢气传感器，用来检测从所述燃料电池组排出的氢气的浓度；
电压传感器，用来检测在所述燃料电池组中的电池发电时，与电流对应的电压；以及
频率检测器，根据异常频率响应方法检测所述燃料电池组的响应频率。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述发声器根据从各个电池输出的电压或通过测量多个电池的电压所得到的平均值来产生和弦。
4.一种产生虚拟声源以监控燃料电池组的工作状态的方法，所述方法包括：
监控燃料电池组的工作状态；
根据所述燃料电池组的工作状态选择特定的和弦或声音并产生所选择的和弦或声音；以及
使驾驶者听到所产生的和弦或声音以及识别所述燃料电池组的工作状态是正常还是异常。
5.根据权利要求4所述的方法，其中在选择所述和弦或声音时，根据所述燃料电池组在工作过程中的输出传感器的信号产生虚拟声音，同时，根据所述燃料电池组的电池电压、所述燃料电池组的电流，以及基于异常频率响应方法得到的燃料电池组的响应频率来产生不同的和弦或声音。
6.根据权利要求4所述的方法，其中从构成所述燃料电池组的多个单元电池输出的电压信号被表示为和弦。
7.根据权利要求4所述的方法，还包括调整所产生和弦或声音的类型和音量的步骤。
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