CN102460805A - 用于燃料电池堆中的电池的旁路系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使串联连接的电化学块(3)的堆旁路的系统(10)。系统包括旁路电路(27)，每个旁路电路连接在电化学块的正极和负极之间。系统(10)还包括控制电路(11)，其被设置为向旁路电路中的至少一个发送控制信号以确保旁路电路将该电路所连接到的电化学块在块的电极之间旁路。控制系统包括控制模块(12)，每个控制模块具有其自身的电压基准，其中每个旁路电路属于模块之一。每个控制模块包括多个旁路电路，属于一个控制模块的旁路电路被连接在邻接的电化学块的电极之间，以控制模块将堆细分为电化学块的几个组(13)。系统的特征还在于，每个控制模块包括用于与控制电路通信的装置(23)，以便控制电路可控制属于单独控制模块的旁路电路。

Description

用于燃料电池堆中的电池的旁路系统
技术领域
本发明涉及串联连接的电化学单元堆的旁路系统。所述系统包括旁路电路，每一个旁路电路被连接在电化学单元的正极和负极之间。所述系统还包括控制电路，所述控制电路用于向所述旁路电路中的至少一个发送控制信号以使该旁路电路将该旁路电路所连接到的电极之间的电化学单元旁路。
背景技术
公知串联连接的电化学单元的组件(通常称为堆(stack))。例如，可以通过蓄能元件或通过燃料电池形成由此组装的电化学单元。燃料电池是用于将化学能直接转变为电能的电化学装置。例如，一种类型的燃料电池包括阳极和阴极，在阳极与阴极之间设置有通常称为聚合物电解质膜的质子交换膜。该类型的膜仅仅允许质子在燃料电池的阳极与阴极之间通过。在阳极处，双原子氢经历反应而产生将穿过聚合物电解质膜的H+离子。该反应所产生的电子通过燃料电池外部的电路而进入阴极，由此产生电流。
由于单个燃料电池通常仅仅产生低电压(约1伏)，因而通常将燃料电池串联连接以形成能够产生包括每个电池的电压之和的较高电压的燃料电池堆(fuel cell stack)。燃料电池堆的一个缺点为将其断开不足以停止它们。实际上，如果由燃料电池在输出处供给的电流突然减小到零，则形成堆的燃料电池不再能够消除它们正在产生的电化学能，因而不同电池的端子之间的电压易于升高到使聚合物膜及伴随其的催化剂的劣化加速的点。中断燃料和氧化剂的供给也不足以停止燃料电池堆。在该情况下，在堆内封闭的燃料和氧化剂的量足以使反应保持相当长的时间。在使用氢作为燃料和氧作为氧化剂的燃料电池堆的情况下，使堆停止甚至要花费数小时的时间。
美国专利2008/0038595公开了一种停止燃料电池堆的方法。该现有技术方法开始于停止控制信号的接收。该方法的第一步骤包括切断氧供给。该方法的第二步骤包括产生维持电流，以便使用堆中大多数的氧。第三步骤包括将空气引入到氧管道中，最后步骤包括切断氢供给。经验表明，在燃料电池堆的操作期间，各个电池并非都以精确地相同的方式运作。具体而言，它们不会都输出相同的电压并且也不会释放相同量的热。由此，在上述停止方法的第二步骤期间，单独地调整从堆中的每个电池产生的电流是有利的。
已知用于将流过燃料电池堆中的特定电池的电流旁路的系统。这些系统用于停止燃料电池叠层或用于隔离有缺陷的电池。
已知的系统使用二极管和阀的网络，如图1所示。每个电池包括二极管和气体供给阀。由计算单元电气控制二极管和阀。当计算单元接收到停止控制信号时，计算单元通过每个电池的二级管来使电池短路。同时，计算单元切断所关注的电池的一个或多个气体供给阀，以停止处理。
用于将流过燃料电池堆中的特定电池的电流旁路的已知系统具有一些缺点。具体而言，特定的燃料电池堆包括多于一百个串联连接的电池。然而，依赖于电池的状态是否良好以及所连接的负载，来自单独的电池的电压会在0与约1.2伏之间波动。因此，在燃料电池堆的情况下，特定电池与地之间的电势差可总计为几十或甚至几百伏。不幸地，通常用于控制电流旁路的普通半导体器件不能耐受其输入与地之间的高电压(高于12或18伏)。
发明内容
本发明的目的为提供一种旁路系统，其中用于控制电流旁路的半导体部件不会经受过量的电压。
本发明因而涉及一种用于串联连接的电化学单元的旁路系统，其中所述系统包括：
旁路电路，每个旁路电路被连接在电化学单元的正极和负极之间；以及
控制电路，其被设置为向所述旁路电路中的至少一个发送控制信号以使该旁路电路将该旁路电路所连接到的电极之间的所述电化学单元旁路。
所述旁路系统包括控制模块，每个控制模块具有其自身的电压基准，每个所述旁路电路属于所述模块中的一个，每个控制模块包括若干个旁路电路，并且属于一个控制模块的旁路电路被连接在邻接的电化学单元的电极之间，以便所述控制模块将所述堆细分为电化学单元的若干个组，并且每个控制模块包括用于与所述控制电路通信的装置，以便所述控制电路能够控制属于不同控制模块的旁路电路。
所述系统的特征在于，每个所述旁路电路与用于测量该旁路电路所连接到的电化学单元的电极之间的电势差的电压测量装置关联，其特征在于，每个控制模块包括被设置为从所述控制电路接收信号的计算单元，以及其特征在于，所述旁路装置具有可变阻抗，所述计算单元根据从所述控制电路接收的信号和与所述旁路装置分别关联的所述单元的电极之间的电势差而控制所述可变阻抗。
将电化学单元划分为各自与控制模块相关联的若干个序列，这限制了同一序列的单元之间的电势差。此外，由于每个控制模块具有其自身的电压基准，同一序列的各单元和与该序列相关联的控制模块的电压基准之间的电势差可被保持在与普通半导体器件相容(compatible)的范围内。
根据本发明的有利变体，所述系统的每个旁路电路与用于测量该旁路电路所连接到的电化学单元的电极之间的电势差的电压测量装置相关联。此外，每个控制模块包括被设置为从所述控制电路接收信号的处理单元。最后，所述旁路电路具有可变阻抗，所述控制单元根据从所述控制电路接收的信号和与所述旁路装置分别关联的所述单元的电极之间的电势差而控制所述可变阻抗。
根据该变体，由于给定的旁路电路的阻抗特别地依赖于该旁路电路所关联的单元的电极之间的电势差，该变体具有更好地考虑如下事实的优点：如上所述，在燃料电池堆的操作期间，各电池并非都以精确地相同的方式运作。本发明的用于串联连接的电化学单元的旁路系统的有利实施例形成了从属权利要求3到6的主题。
这些实施例的优点之一为，这些实施例允许电化学单元的堆逐渐并安全地停止。实际上，通过由于为每个电池提供的可变阻抗而逐渐减小电池端子处的电势差，根据本发明的系统使得可以使用包含在电池中的所有气体。这于是防止了电池中的能够损坏系统的任何气体残余。
附图说明
通过对仅仅以非限制性实例的方式给出并由附图示例的本发明的至少一个实施例的以下详细描述，用于控制电化学单元的堆的系统的目的、优点以及特征将更加清楚地呈现，其中：
图1示意性示出了根据现有技术的电池旁路系统；
图2为用于根据本发明的电化学单元的堆的控制系统的示意图；
图3示出了根据本发明的系统的控制模块的示意图；以及
图4示意性示出了根据本发明的旁路系统。
具体实施方式
在以下说明中，将仅以简化方式描述燃料电池堆的为本技术领域的技术人员所公知的所有那些部件。
图2示出了根据本发明的与燃料电池堆有关的旁路系统10的示意图。该堆包括多个电化学单元3，每个电化学单元3具有用作连接点的负极和正极。在该实例中，每个单元3由单个燃料电池或若干个相接的燃料电池形成。然而，为了简化，以下描述将不加区分地称为单元或电池，但一个单元实际上可能由两个或更多个电池形成。单元3被串联连接以形成通常所称的燃料电池堆。每个电池供应其值达到约1.2伏的电压，对于约四十个串联连接的电池的实例，可以给出约48伏的总电压。
单元3被分组以形成若干个单元的组或序列13。每个组13优选包括相同数目的单元3，并且在该实例中，每个组具有四个单元。单元3的每个组13被耦合到模块12。每个模块12被设置为与中心控制单元11通信，中心控制单元14通过通信总线15管理所有模块。每个模块12由电力总线14供电。该电力总线14包括不依赖于由燃料电池堆供给的电压的不同的电力电路。这使得模块12即使在燃料电池堆被断电的情况下也能够操作。
图3为形成根据本发明的特定实施例的旁路系统的一部分的模块12的更详细的图。每个控制模块12包括其自身的电源21，电源21从电力总线15接收能量但却与其流电(galvanically)隔离。由于该特征，每个模块21可具有其自身的基准电压。在该实例中，通过隔离变压器确保流电隔离，隔离变压器的初级被连接到电力总线，隔离变压器的次级形成电源21的一部分。在该实例中，电源21为模块12的元件供应相对于模块的基准电压的+2.5伏的正电压和-2.5伏的负电压。本领域的技术人员将理解，替代电感性耦合到电力总线15，或者，电源21可被电容性耦合到电力总线。
每个模块12还包括计算单元20，在该实例中，以微处理器的形式实现计算单元20。该计算单元20管理所述模块12，并受中心控制单元11的控制。计算单元20由模块12的电源供电。计算单元20通过通信系统23与中心控制电路11通信。该通信系统23允许中心控制单元11向每个模块12的计算单元20发送指令。该通信系统23还使得每个计算单元向中心控制单元11发送关于与其模块相关联的电池的状态的信息。在该实例中，通信系统23包括通过光耦合器25而连接到通信总线15的转接总线24。光耦合器使模块12与该系统的剩余部分流电解耦。光耦合器25的数目由此随通信协议的类型而变化，因而所公开的实例的SPI总线包括3个不同的线。总线的每个线由此包括一个光耦合器25。当然，通信协议不限于SPI总线，可以设想使用任何其他协议，例如，I2C协议。
图3示出了计算单元20通过四个测量电路22而被连接到组13的四个电化学单元3。在该实例中，每个测量电路22由与单元3关联的差分放大器26形成，如图3所示。这些差分放大器26通过由电源21提供的电压操作。放大器26具有分别连接到各单元3的正极和负极的两个输入，如图3所示。差分放大器26被设置为形成减法器电路，所述减法器电路允许每个放大器测量单元3的阴极与阳极之间的电势差。在该实例中，在每个组13包括四个单元3的情况下，存在四个差分放大器26，即，每个单元3有一个放大器。
如上所述，根据本发明，每个模块12由此因具有其自身的电压基准而被独立构成。出于该目的，每个模块12的地被连接到与其相关联的组13的单元3之一的连接端子之一。应该明了，由于该特征，差分放大器26的输入与其地之间的电势差不超过几伏。
优选地，用作基准的连接点被取在形成组13的单元序列的中间。在该实例中，在组包括四个单元的情况下，基准电压由此被取在第二与第三单元之间。还应明了，每模块的单元的最大数目依赖于在地与其一个输入之间的差分放大器26所容忍的最大电势差。由此，在最大容忍电势差为8V且每个单元3产生1.2V的最大值的情况下，单元3的最大数目为12((6×1.2V)＝7.2V；7.2V＜8V)。
差分放大器26被设置为在其输出处提供表示单元3的电极之间的电势差的电压。计算单元20接收模块12的跨过四个不同输入由四个差分放大器26提供的电压。在该实例中，计算单元20是数字的而不是模拟的。在这些条件中，由计算单元20在输入处接收的信号首先被数字化，然后将各电池3的数字化的电压值通过通信装置23而发送到中心控制单元11。
单元3的每个组13具有若干个放大器26的主要优点在于，可以迅速进行测量。实际上，于是可以同时使若干个电势差数字化。如果计算单元20具有的模拟/数字转换器的数目等于差分放大器26的数目，则可以改善该数字化同步。假定单元3被分为组13，每个组13同时(即，并行)进行电势差测量。从而可以同时提取并数字化单元3的所有电势差测量值。
相反，如果计算单元20仅具有一个模拟/数字转换器，在同时提取所有电势差，但各测量值要依次而不是同时转换为数字值。计算单元20备选地以约20μs的时间差从每个差分放大器26选择每个电势差。因此，以约80μs进行四个单元3的组13的电势差26的整个设定。然而，将电化学单元3分割为组13限制了这些效果。这在理论上意味着，可以以约80μs进行所有单元3的所有电势差测量。
如上所述，一旦将电势差值转换为数字形式，这些值被发送到控制单元11。通过通信系统23和通信总线14连续地(即，一个单元3接一个单元3，逐个地)发送该数据。然后，控制单元使用该数据来管理燃料电池堆10。
管理燃料电池堆的一个方面为停止燃料电池堆的操作。为了实现这一点，燃料电池堆10包括旁路电路，以通过降低单元3的端子处的电势差而单独地关闭每个单元3。该电势差被减小到接近零的值，并保持在该值以在不损坏单元3的情况下关闭单元3。还可以在紧急情况采用这些旁路电路以隔离燃料电池堆10中的一个单元3。
这些旁路电路在图3中表示为27，图4中示意性示出了旁路电路的示例性实施例。现在参考图4，所示出的旁路电路首先包括标示为30的双极旁路晶体管NPN(或根据极性的PNP)，该双极旁路晶体管与电阻器27串联地连接在电池3的正极和负极之间。双极旁路晶体管30的基极被连接到驱动晶体管31的对之间的连接点，该对驱动晶体管31被串联连接并具有不同的极性。图4还示出了，该对驱动晶体管31通过其基极而被连接到由加法器元件32形成的控制产生器，该加法器元件32包括被设置为从计算单元20(图3)接收基准信号的第一输入。加法器元件32具有第二输入，该第二输入被连接到电压测量电路22的放大器26的输出。加法器元件32还具有第三输入，该第三输入被连接到比较器34的输出和逆变器36的输出。比较器电路34包括被连接到差分放大器33的输出的第一输入和被设置为接收预定基准电压的第二输入。差分放大器33具有两个输入，这两个输入被分别连接到与双极晶体管30串联连接的电阻器37的端子。除了比较器34的输入之外，差分放大器33的输出还被连接到计算单元20(图3)的一个输入。逆变器36的输入被连接到第二比较器35的输出。比较器35通过第一输入而被连接到与该对驱动晶体管31串联连接的电阻器38的端子之一。比较器35的另一输入被设置为接收第二预定基准电压。
该实例的旁路电路基于有源负载原理操作。跨过NPN晶体管30的基极施加的电压改变集电极电流。该电流和电压变化产生阻抗变化，在本发明中使用该阻抗变化来控制流入旁路的电流的量。通过由以+2.5伏电压供电的晶体管31的对形成的组件来控制NPN旁路晶体管30。这两个晶体管用作充当有源负载的NPN晶体管与控制产生器32之间的中间物(intermediary)。如上所述，控制产生器32为加法器型差分放大器电路。该加法器电路进行对三个信号的求和。这些信号之一为由计算单元20产生的基准。该基准可以为脉宽调制或线性信号。
加法器电路32中的第二输入信号(incoming signal)为有源负载系统27和差分放大器26所连接到的单元3的电势差测量。测量电压的该用途可以调节电化学单元3的堆的控制系统的关断。
加法器电路32中的第三输入信号为安全信号。实际上，有源负载系统的用于降低电势差的值的用途造成了电流变化。电阻性元件中的该电流变化会导致焦耳效应的变化，由此导致所产生的热的变化。
因此，旁路系统包括限流器系统，该限流器系统作用于由计算单元提供的基准信号以限制流过有源负载的电流。该限流器系统包括两个电流监视模块。第一监视模块用于监视旁路电流，而第二监视模块用于监视流过驱动有源负载的串联晶体管31的对的电流。
第一模块包括与NPN旁路晶体管30串联连接的电阻器37。该电阻器用于电路测量电路33。实际上，电流测量电路33使用外部电阻器以测量该电阻器中的电流。然后，该电流值被转换为表示将在输出处被发送的电流的电势差值。然后该表示电流的电势差被发送到具有积分器功能的差分放大比较器电路34。该比较器电路使用预定基准电压，该预定基准电压为将不被超过的电流。如果该表示电流的电压小于该基准电压，比较器电路34不导通，相反，如果该表示电流的电压高于该基准电压，比较器电路34导通。在导通的情况下，具有积分器功能的电路34执行其作用。由此，使用积分器功能来减慢系统，即，防止用于校正来自计算单元的基准信号的该表示电流的信号中的任何过量变化。该积分器功能被用于平滑校正电压，并由此被用于平滑基准信号。
第二模块被用于监视流过用于驱动有源负载的两个串联驱动晶体管31的电流。该模块包括具有积分差分放大器的比较器电路35。该电路包括在2.5伏电源与两个驱动晶体管31中的第一个的集电极之间的电阻器38，该电阻器38与驱动NPN有源负载旁路电阻器30的两个驱动晶体管31串联连接。第二预定基准电压和表示流过与两个驱动晶体管串联连接的电阻器38的电流的电压被连接到差分放大器35的输入。如果该表示电流的电压小于该基准电压，比较器电路不导通，相反，如果该表示电流的电压高于该基准电压，比较器电路导通。在导通的情况下，所产生的信号接着被发送到加法器电路36以允许考虑该信号来驱动有源负载。该第二模块提供附加保护，因此是不可缺少的。
然后，来自第一和第二模块的输出信号被相加并发送到加法器元件32以用于调整。例如，可以有利地将诸如肖特基二极管的二极管40设置在第一和第二监视模块的输出处。这些肖特基二极管40被反向连接并用于防止每个模块的输出信号干扰另一模块。由此，不存在流过两个模块的电压恢复(voltage restoration)。
在第一变体中，可以提供温度传感器以增加系统保护。这些温度传感器可以位于包括这里给出的不同电路的各部件的板上或位于单元上。实际上，单元3的温度测量或每个电池的温度测量允许被设定用于燃料电池堆10的停止协议。每个单元3的温度传感器可以被连接到与该单元3关联的计算单元。因此，由于每个控制单元管理其自身的单元，每个计算单元20可以更简单地直接提取温度数据以尽可能迅速地运作。该反应可以用于停止所关注的单元3或总体地停止系统。
应明了，可以在不背离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，对上述本发明的各种实施例进行对本领域的技术人员而言显而易见的各种改变和/或改善和/或组合。例如，根据本发明的旁路系统可被应用于包括多个电化学电池的电池组系统。

Claims (16)

1.一种用于串联连接的电化学单元(3)的堆的旁路系统(10)，其中所述系统包括：
旁路电路(27)，每个旁路电路(27)被连接在电化学单元的正极和负极之间；以及
控制电路(11)，其被设置为向所述旁路电路中的至少一个发送控制信号，以使该旁路电路将该旁路电路所连接到的电极之间的所述电化学单元旁路，
所述旁路系统包括控制模块(12)，每个控制模块(12)具有其自身的电压基准，每个所述旁路电路属于所述模块(12)中的一个，每个控制模块(12)包括若干个旁路电路(27)，并且属于一个控制模块(12)的旁路电路被连接在邻接的电化学单元(3)的电极之间，以便所述控制模块(12)将所述堆细分为电化学单元的若干个组(13)，每个控制模块(12)包括用于与所述控制电路(11)通信的装置(23)，以便所述控制电路能够控制属于不同控制模块的所述旁路电路，
该系统(10)的特征在于，每个所述旁路电路(27)与用于测量该旁路电路所连接到的电化学单元(3)的电极之间的电势差的电压测量装置(22)关联，特征在于，每个控制模块(12)包括被设置为从所述控制电路接收信号的计算单元(20)，且特征在于，所述旁路装置具有可变阻抗，所述计算单元(20)根据从所述控制电路(11)接收的信号和与所述旁路装置分别关联的单元的电极之间的电势差而控制所述可变阻抗。
2.根据权利要求1的系统，其特征在于，所述旁路电路包括用于测量所述旁路中的电流密度的第一器件(34)，以便所述计算单元(20)考虑所述电流密度以控制所述旁路电路(27)的阻抗。
3.根据权利要求1或2的系统，其特征在于，所述旁路电路(27)包括被连接在每个单元(3)的端子之间的至少一个旁路晶体管(30)。
4.根据权利要求3的系统，其特征在于，所述至少一个旁路晶体管(30)由串联连接的且受到所述计算单元(20)控制的至少两个驱动晶体管(31)驱动。
5.根据权利要求4的系统，其特征在于，通过用于测量电流密度的第二器件(35)监视来自所述至少两个驱动晶体管(31)的电流，以便所述计算单元(20)考虑所述晶体管(31)中的所述电流密度以控制所述旁路电路。
6.根据权利要求1到5中任一项的系统，其特征在于，所述测量装置(22)被连接到所述计算单元(20)以将所提取的电势差转变为数字值。
7.根据上述权利要求中任一项的系统，其特征在于，所述通信装置(23)包括流电隔离装置(25)。
8.根据上述权利要求中任一项的系统，其特征在于，所述测量装置(22)包括多个差分放大器(26)，每个差分放大器(26)被设置为通过两个输入而连接到电化学单元的端子，以在输出处提供表示在所述电化学单元的端子之间存在的电势差的电压。
9.根据权利要求8的系统，其特征在于，每个差分放大器(26)测量在两个电化学电池的端子之间的电压差。
10.根据上述权利要求中任一项的系统，其特征在于，每个控制模块(12)还包括其特有的电力系统(21)，以使得即使在用于控制电化学单元(3)的堆的系统没有正在操作时所述模块也能够操作。
11.根据权利要求8到10中任一项的系统，其特征在于，所述差分放大器(26)具有最大输入电压，且特征在于，在电化学单元的每个组(13)中，各单元之间的电势差的相加不超过所述最大电压。
12.根据上述权利要求中任一项的系统，其特征在于，电化学单元的每个组(13)包括四个电化学单元。
13.根据权利要求12的系统，其特征在于，每个电化学单元包括燃料电池。
14.根据权利要求12的系统，其特征在于，每个电化学单元包括两个燃料电池。
15.根据权利要求1到11中任一项的系统，其特征在于，电化学单元的每个组(13)包括八个电化学单元。
16.根据权利要求15的系统，其特征在于，每个电化学单元包括燃料电池。
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