CN102498603B - 燃料电池的电压控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池的电池电压的控制装置，此控制装置包含与电池关联的第一晶体管(Q1)，透过其基极连接此电池并且连接一个电流产生器，以及一个控制电压源(VRi)，控制电压源(VRi)被插入电池和第一晶体管(Q1)之间，控制电压源所供应的控制电压等于第一和第二阈值电压之间的电压差，这样，当电池具有高于第一阈值电压的电压(V1)时，第一晶体管(Q1)在其基极-发射极节点两端具有电压(Vbe1)，高于第二阈值电压并且传导电流，以及当电池具有低于第一阈值电压的电压(V1)时，第一晶体管(Q1)在其基极-发射极节点两端具有电压(Vbe1)，低于第二阈值电压并且阻止电流的传输。

Description

燃料电池的电压控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池中一或多个单个电池的电压控制装置。
背景技术
燃料电池是一种电力发生器，用于将燃料(氢、甲醇，或类似物)中包含的化学能转换为电能。燃料电池采用单个电池的形式，根据燃料的类型释放出介于0.3伏特和1.2伏特之间的电压，以及释放电流。
为了获得良好的电压水平，燃料电池包括串联安置的若干单个电池，从而集合每一个电池的电压。
单个电池的电压随着其提供的电流强度而变化，例如，当提供的电流强度增加时，则电压下降。单个电池释放的电压还随着单个电池中产生的化学反应而变化。正常情况下，反应稳定，但是某些时候可能出现扰动(例如，不当放电的一滴水等)。然后，电压趋向于迅速下降，然后当扰动消失时恢复正常。
为了不使单个电池品质降低，至关重要的是单个电池的电压从来不会降到某个阈值以下。如果单个电池的电压降到阈值以下，则单个电池可能遭受过热以及局部劣化，导致其过早老化或者整体劣化。
依照先前技术之已知解决方案，采用模拟方式测量每一单个电池的电压，这个信息被传送到控制器，其中控制器用于检查此电压高于或者低于某个阈值电压。通过扫描这些电压，控制器一个接一个地分析每一单个电池的电压。燃料电池和控制器之间通常提供电偶绝缘(galvanic insulation)，这样控制器未与燃料电池连接，尤其如果表现出危险电压时。
此外，在串联配置中，对于全部单个电池来说，电流相同，因此电流被施加在单个有问题的电池上。然后例如通过过热或者局部干燥(dfying)，可能集中在燃料电池的单个电池的薄膜的部分表面上而将其损伤。
发明内容
因此，本发明的目的在于，当单个电池超出其阈值电压时，能够简单地监视，从而由此避免单个电池的劣化以及由此避免燃料电池的劣化。
为此，本发明的主题是一种燃料电池的单个电池的电压控制装置，其特征在于此控制装置包括与单个电池关联的第一晶体管，一方面其基极连接单个电池并且另一方面连接一个电流发生器，这样当单个电池表现出大于第一阈值电压的电压时，第一晶体管在其基极-发射极节点的两端表现出大于第二阈值电压的电压并且传导电流，以及当单个电池表现出低于第一阈值电压的电压时，第一晶体管在其基极-发射极节点的两端表现出低于第二阈值电压的电压并且阻止电流的传输。
因此，只要单个电池超出其阈值电压，则停止电流的传输。
电压控制装置还以单独或组合的方式包括一或多个以下特征：
-此控制装置用以检测燃料电池中复数个串联的单个电池的至少一个单个电池的第一阈值电压的超出，此控制装置包括：
·复数个第一晶体管，分别与燃料电池关联的单个电池并联安置，复数个第一晶体管的基极连接关联的单个电池，以及
·复数个第二晶体管，具有第二阈值电压，这些第二晶体管的基极分别连接这些第一晶体管的集电极，这些第二晶体管彼此串联安置，这样一个第二晶体管的发射极连接一个连续第二晶体管的集电极，以及这些第二晶体管与电流发生器串联安置，从而当一个单个电池表现出低于第一阈值电压的电压时，则阻止电流的传输，
-第一阈值电压等于第二阈值电压，
-第一阈值电压不同于第二阈值电压，调整电压源被插入每一单个电池和每一关联第一晶体管之间，调整电压源供应的调整电压等于第一和第二阈值电压之间的电压差，
-调整电压源由一个调整电流源和一个电阻器组成，
-调整电压源包括一个固定电压源和一个电阻器，
-固定电压通过燃料电池中预定数目的单个电池、一个齐纳二极管和一个电阻器被实施，
-单个电池两端的电压大于齐纳二极管的齐纳电压，
-电流产生器为晶体管电流产生器，包括：
·一个晶体管，
·一个第一电阻器，与晶体管串联安置并且连接晶体管的发射极，
·一个第二电阻器，连接晶体管的基极以限制从晶体管中流经的电流，
·一个电压源，
·一个齐纳二极管，与第二电阻器串联，与电压源并联安置，齐纳二极管在其两端表现出恒定电压，并且连接第一电阻器和电晶体的基极，
-电流产生器的电压源由燃料电池的预定数目的单个电池组成，这样单个电池两端的电压大于齐纳二极管(D)的齐纳电压，
-电压控制装置包括一个电流链末端电阻器(Rz)，与电流发生器串联安置，以转换电流信息为电压信息，以及
-此装置包括一个电流链末端光耦合器，与电流发生器串联安置以提供电偶绝缘。
附图说明
图1为燃料电池的单个电池的阈值电压的超出控制电路之示意图；
图2a为燃料电池的单个电池串联连接的阈值电压的超出控制电路的第一实施例；
图2b为燃料电池的单个电池串联连接的阈值电压的超出控制电路的第二实施例；
图2c为燃料电池的单个电池串联连接的阈值电压的超出控制电路的第三实施例；
图2d为燃料电池的单个电池串联连接的阈值电压的超出控制电路的第三实施例；
图3a为晶体管的电流发生器；
图3b为包含图3a所示晶体管电流发生器的燃料电池的串联单个电池的超出阈值电压的控制电路；
图4为包含调整电压源的控制电路的第二实施例；
图5为图4的调整电压源的第一变化实施例之示意图；
图6为图4的调整电压源的第二变化实施例之示意图；
图7为图4的调整电压源的第三变化实施例之示意图；
图8为包含图7的第三变体的调整电压源的燃料电池的串联单个电池的超出阈值电压的控制电路。
具体实施方式
这些附图中，相同的标记代表相同的元件。
图1表示用于控制燃料电池的单个电池的电压V1的第一代表性电路。例如，单个电池的阈值电压为0.6伏特。
第一晶体管Q1与单个电池并联安置。这个例子中，第一晶体管Q1为NPN晶体管，第一晶体管Q1的基极连接单个电池的阳极+，第一晶体管Q1的发射极连接单个电池的阴极-。显然，同样可以提供一个PNP晶体管。
依照第一实施例，第一晶体管Q1的阈值电压与单个电池的阈值电压相同，即这个例子中为0.6伏特。
第一晶体管Q1的基极-发射极节点Vbe1两端的电压依赖于单个电池的电压V1。
因此，当单个电池的电压V1大于阈值电压(V1＞0.6伏特)时，单个电池不会有劣化的危险，第一晶体管Q1在其基极-发射极节点Vbe1两端表现大于0.6伏特的电压。因此，第一晶体管Q1导通。
另一方面，当单个电池的电压V1小于0.6伏特(V1＜0.6伏特)时，会对单个电池造成危险。则第一晶体管Q1的基极-发射极节点两端的电压也小于0.6伏特(Vbe1＜0.6伏特)，则不足以令第一晶体管Q1导通。因此，第一晶体管Q1截止(blocked)。
从图1可看出，第一晶体管还连接电流链上的电流发生器I，例如经由与电流发生器I串联安置的第二晶体管Q2连接电流发生器I。更特别地，在PNP晶体管的情况下，第二晶体管Q2的基极连接第一晶体管Q1的集电极，第二晶体管Q2的发射极连接电流发生器I。
因此，当第一晶体管Q1表现出电压Vbe1大于0.6伏特时，由此导通，第一晶体管造成第二晶体管Q2饱和，反过来第二晶体管Q2变为导通，允许电流发生器I释放的电流I通过。
另一方面，当第一晶体管Q1表现出电压Vbe1小于0.6伏特时，由此截止，流过其中的电流被停止，导致第二晶体管Q2截止。因此，电流链上不再有电流流过。电流传输被停止。
此外，为了限制第一晶体管Q1和第二晶体管Q2中的电流，可提供电阻器R1，被插入第一晶体管Q1的发射极和单个电池之间。
另外，在电流链的末端，以电流形式流动的信息可使用电阻器Rz被转换为电压式信息，或者甚至用于为一个光耦合器(optocoupler)供电以提供电偶绝缘(galvanic insulation)。
图2a至图2d为燃料电池中各自电压为Vi、Vi+1的至少两个串联单个电池的电压控制电路的各种实施例。
这种情况下，对于每一单个电池，第一晶体管Q1i、Q1i+1与相关的单个电池并联，第一晶体管的基极连接相关的单个电池，第二晶体管Q2i、Q2i+1的基极连接相关第一晶体管Q1i、Q1i+1的集电极。
全部第二晶体管Q2i、Q2i+1均彼此串联，这样一个第二晶体管的发射极连接连续第二晶体管的集电极，并且连接共同的电流发生器I，从而当单个电池表现出电压小于阈值电压时，则阻挡电流的传输。
另外，和前面一样，在电流链的末端可安置单个电阻器Rz。
图2a至2d这些附图中所示的例子因为第一晶体管Q1i、Q1i+1和第二晶体管Q2i、Q2i+1掺杂NPN或PNP而有所不同。
更特别地，图2a和2b中，与图1的例子的方式类似，第一晶体管Q1i、Q1i+1为NPN晶体管，第二晶体管Q2i、Q2i+1为PNP晶体管。依照这种配置，第二晶体管Q2i的发射极连接下一更高连续第二晶体管Q2i+1的集电极。
图2c和2d中，第一晶体管Q1i、Q1i+1为PNP晶体管，第一晶体管Q1i、Q1i+1的基极连接单个电池的阴极-，第一晶体管Q1i、Q1i+1的发射极连接单个电池的阳极+。第二晶体管为NPN晶体管，这样第二晶体管Q2i的集电极连接下一更高连续第二晶体管Q2i+1的发射极。
图3a和3b为控制电路的变化实施例，其中电流发生器I为晶体管电流发生器，晶体管可停止电流发生器的电流。
请参考图3a，晶体管电流发生器包含：
-一个晶体管Q3，
-一个第一电阻器R31，与晶体管Q3串联安置并且连接晶体管Q3的发射极，
-一个第二电阻器R32，连接晶体管Q3的基极以限制流经晶体管Q3的电流，
-一个电压源V3，以及
-一个齐纳二极管D，和第二电阻器R32串联后与电压源V3并联安置，齐纳二极管D在其两端表现恒定电压，并且还连接第一电阻器R31和晶体管Q3的基极。
齐纳二极管D在晶体管Q3的节点和第一电阻器R31的节点两端设定一个电势。流经第一电阻器R31的电流等于齐纳二极管D和第一电阻器R31的节点之间的电压差的比率。
电流I和流经第一电阻器R31的电流近似相同。因此，可依照第一电阻器R31和齐纳二极管D调节电流I。
从图3b可看出，电压V3可由从单个电池Cell n-x到单个电池Cell n的预定数目X的更高的单个电池供应；第一单个电池Cell 1表现出最低电势，第n个单个电池Cell n表现出最高电势。
在设计电流发生器时，根据期望的电压定义单个电池的数目X。这些X个单个电池终端的电压大于齐纳二极管D的齐纳(Zener)电压。
第一单个电池Cell 1和第n单个电池Cell n之间的电池个数可能较大。
这个电路中，晶体管电流发生器具有以下元件：齐纳二极管D、晶体管Q3、电阻器R31和R32。
这个电路的操作方式与图1至图2d相同。当单个电池Cell 1至Cell n-x-1的电压大于0.6伏特时，晶体管Q11至Q1n-x-1传导，并且还允许晶体管Q21至Q2n-x-1传导。
用作电压源的X个单个电池Cell n-x至Cell n的过程相同。
另外，晶体管Q4连接：
-一方面，晶体管Q4的发射极连接齐纳二极管D，并且集电极连接晶体管电流发生器的第一电阻器R31；以及
-另一方面，与X个单个电池有关的全部串联的第二晶体管Q2n-x至Q2n用作晶体管电流发生器的电压源。
因此，如果用作晶体管电流发生器的电压源的与X个单个电池有关的全部串联的第二晶体管Q2n-x至Q2n导通，反过来晶体管Q4变为导通并且允许晶体管电流发生器产生的电流通过。
此外，提供电阻器R′以限制流经晶体管的电流。
图4为第二实施例，其中第一晶体管的阈值电压不同于待监视的相关单个电池的阈值电压。
然后，通过使用与第一阈值电压不同的至少一个晶体管的第二阈值电压，控制装置监视单个电池的第一阈值电压的超出。
这种情况下，对于每一单个电池Cell i、Cell i+1，控制装置包含在单个电池Cell i、Cell i+1和相关第一晶体管Q1i、Q1i+1之间插入的调整电压源VRi、VRi+1。调整电压源供应的电压可根据单个电池的第一阈值电压被调整，调整电压源供应的电压增加到单个电池的电压。
因此，可便于适应待监视的阈值电压。
举个例子，对于0.4伏特的第一单个电池阈值电压和0.6伏特的第二晶体管阈值电压，调整电压源被设置为单个电池和第一晶体管之间为0.2伏特。
因此，当单个电池的电压大于0.4伏特时，第一晶体管在其基极-发射极节点两端的电压大于单个电池的电压0.4伏特和调整电压0.2伏特的总和，换言之0.6伏特。
类似地，当单个电池的电压低于0.4伏特时，第一晶体管在其基极-发射极节点两端的电压低于单个电池的电压0.4伏特和调整电压0.2伏特的总和，换言之0.6伏特。
图5为调整电压源的代表性实施例，其中使用电阻器Rji、Rji+1，电流Iji、Iji+1被注入调整电压源内，从而在两端产生电压。
依照图6所示的另一选择，使用固定电压源Vji、Vji+1和电阻桥Rki、Rji；Rki+1、Rji+1，生成电流源Iji、Iji+1。
作为一种变体，如图7所示，可使用燃料电池的预定个数的单个电池的电压以及使用齐纳二极管Di、Di+1和电阻器R1i、R1i+1以获得固定电压。
齐纳二极管Di、Di+1分别用作稳定的电压源。电阻器Rki和Rji以及Rki+1和Rji+1分别用作分压器。通过分别调整元件Di、Rki和Rji以及Di+1、Rki+1和Rji+1的数值，分别定义的电阻器Rji、Rji+1电压。
对于Di、Di+1被认作稳定的电压源，其两端的电压必须远大于其齐纳电压。因此，用作电压源的单个电池Cell i+x、Cell i+x+1两端的电压必须大于齐纳二极管Di、Di+1的齐纳电压。
如果串联的单个电池的数目比较大，则用作电压源的单个电池Cell i+x、Cell i+x+1例如可从表现出最高电势的大概10个单个电池中选取。
另外，串联的单个电池的数目足够大以至于使用更高单个电池电势的情况下，考虑到单个电池的高电势，则出现困难。因为这些单个电池具有高电势，然后从表现低电势的单个电池中获取用于产生稳定电压源所需的电势。
实际上，从图8可看出，对于类似两个电池Cell 1和Cell 2具有低电势的单个电池，齐纳二极管D1、D2被放置于待监视的单个电池Cell 1、Cell 2的阳极+和从具有更高电势的大概10个单个电池中选择的电势之间，例如，对于第一单个电池Cell 1选取第十单个电池Cell 10，以及对于第二单个电池Cell 2选取第十一单个电池Cell 11。
另一方面，对于类似单个电池Cell n至Cell n-x这种具有更高电势的单个电池，齐纳二极管Dn至Dn-x被放置于待监视的单个电池Cell n至Cell n-x的阴极-和从具有较低电势的大概10个单个电池选取的电势之间，例如对于单个电池Cell n选取Cell n-10，对于单个电池Cell n-x选取单个电池Celln-x-10。
因此，可以理解，具有这种控制装置，可简单有效地实现监视，当燃料电池的单个电池超出其阈值电压时，能够停止电流传输，从而能够避免单个电池的劣化，由此避免燃料电池的劣化。

Claims (10)

1.一种电压控制装置，用于控制燃料电池的单个电池的电压，该单个电池具有一第一阈值电压，其特征在于，该控制装置包括：
﹣一第一晶体管(Q1)，具有不同于该第一阈值电压的一第二阈值电压，该第一晶体管(Q1)与该单个电池关联，一方面其基极连接该单个电池并且另一方面连接一电流发生器；以及
﹣一调整电压源(VRi)，被插入该单个电池和关联的该第一晶体管(Q1)之间，该调整电压源(VRi)供应一调整电压，该调整电压等于该第一和第二阈值电压之间的电势差，这样：
·当该单个电池表现出大于该第一阈值电压的电压(V1)时，该第一晶体管(Q1)在其基极-发射极节点的两端表现出大于该第二阈值电压的电压(Vbe1)，并且传导电流；以及
·当该单个电池表现出小于该第一阈值电压的电压(V1)时，该第一晶体管(Q1)在其基极-发射极节点的两端表现出小于该第二阈值电压的电压(Vbe1)，并且阻止电流的传输。
2.如权利要求1所述的电压控制装置，其特征在于，用以检测燃料电池中复数个串联的单个电池(Cell 1至Cell n)的至少一个单个电池的第一阈值电压的超出，该电压控制装置包括：
﹣复数个第一晶体管(Q11至Q1n)，分别与该燃料电池关联的一单个电池(Cell 1至Cell n)并联安置，复数个第一晶体管的基极连接关联的单个电池(Cell 1至Cell n)；以及
﹣复数个第二晶体管(Q21至Q2n)，具有第二阈值电压，
·其中所述这些第二晶体管(Q21至Q2n)的基极分别连接所述第一晶体管(Q11至Q1n)的集电极；
·其中所述这些第二晶体管(Q21至Q2n)彼此串联安置，这样一个第二晶体管的发射极连接一连续第二晶体管的集电极；以及
·其中所述这些第二晶体管(Q21至Q2n)与该电流发生器(I)串联安置，从而当一单个电池(Cell 1至Cell n)表现出低于该第一阈值电压的电压时，则阻止电流的传输。
3.如权利要求1或2所述的电压控制装置，其特征在于，该调整电压源(VRi)由一调整电流源(Iji)和一电阻器(Rji)组成。
4.如权利要求3所述的电压控制装置，其特征在于，该调整电流源(Iji)包括一固定电压源(Vji)和一电阻器(Rki)。
5.如权利要求4所述的电压控制装置，其特征在于，通过该燃料电池中一预定数目的单个电池、一齐纳二极管(Di)和一电阻器(Rli)实施该固定电压源。
6.如权利要求5所述的电压控制装置，其特征在于，所述单个电池两端的电压大于该齐纳二极管(Di)的齐纳电压。
7.如权利要求1所述的电压控制装置，其特征在于，该电流发生器为一晶体管电流发生器，并且包括：
﹣一晶体管(Q3)；
﹣一第一电阻器(R31)，与该晶体管串联安置并且连接该晶体管(Q3)的发射极；
﹣一第二电阻器(R32)，连接该晶体管(Q3)的基极以限制流经该晶体管(Q3)的电流；
﹣一电压源(V3)；以及
﹣一齐纳二极管(D)，与该第二电阻器(R32)串联，与该电压源(V3)并联安置，该齐纳二极管(D)在其两端表现出一恒定电压，并且连接该第一电阻器(R31)和该晶体管(Q3)的基极。
8.如权利要求7所述的电压控制装置，其特征在于，该电流产生器的该电压源(V3)由该燃料电池的预定数目的单个电池组成，这样所述单个电池两端的电压大于该齐纳二极管(D)的齐纳电压。
9.如权利要求1所述的电压控制装置，其特征在于，该电压控制装置包括一电流链末端电阻器(Rz)，与该电流发生器串联安置，以转换该电流信息为电压信息。
10.如权利要求1或2所述的电压控制装置，其特征在于，该装置包括一电流链末端光耦合器，与该电流发生器串联安置，以提供电偶绝缘。
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