CN103579647A

CN103579647A - 用于改善的堆健康监测可靠性的冗余

Info

Publication number: CN103579647A
Application number: CN201310299611.6A
Authority: CN
Inventors: J.A.罗克; D.J.里德; K.L.凯
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2013-07-17
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-07-17
Also published as: US20140025320A1; CN103579647B; US8990034B2; DE102013213101B4; DE102013213101A1

Abstract

本发明涉及用于改善的堆健康监测可靠性的冗余。一种健康监测系统，其用于使用当前燃料电池架构的燃料电池堆，以使电子控制单元（ECU）尽管发生部件故障也能继续监测燃料电池堆的健康。这个系统使用嵌入式测量模块（EMM），该模块连接到燃料电池堆中的一组燃料电池以监测该组燃料电池的健康。EMM产生被发送给ECU的脉宽调制信号。该组燃料电池的总电压值被嵌入到标定信号或帧序列的结尾。ECU使用算法通过求和每个燃料电池的报告它们电压的累积值并从在帧序列的结尾中找到的总电压值中减去该值来确定在至少一个燃料电池的部件故障的情况下该燃料电池的缺失电压。

Description

用于改善的堆健康监测可靠性的冗余

背景技术

本发明总体涉及监测燃料电池堆中的燃料电池电压的方法和装置，并且更具体地涉及使监测电路中的连接器和部件故障对用户来说显而易见但不丢失该故障连接器或部件被设计提供的信息。而且，该方法和装置用于实现用于监测电路测量的冗余功率供应和接地连接。

燃料电池通过反应物的电化学过程产生能量并且因此产生电流。典型的燃料电池构造包括聚合物膜（例如，质子交换膜（PEM）），该聚合物膜在两侧带有催化剂层以促进氢和氧的相应的氧化和还原。额外的部件，包括设置成靠在相应的催化剂层上的一对气体扩散介质层和放置在气体扩散介质层外部的阴极和阳极双极板；这些双极板限定了其内的流道，以便于将外部提供的反应物引入到催化剂覆盖的PEM。各种不同的部件被压在一起以形成燃料电池。为了增加功率输出，数个燃料电池被布置在一起以形成燃料电池堆。

燃料电池堆被通过一组诊断连接器监测以发现它们的电力能力，这些连接器被附接到燃料电池堆内的每个燃料电池的双极板。嵌入式测量模块（EMM），通过诊断连接器，监测每个燃料电池的电压并将该健康状况报告给车辆电子控制单元（ECU）。

这种方法的问题是EMM不能解决可能出现的任何故障模式，这使得该系统易受诊断连接器和部件故障的伤害。而且，如果为EMM供能的诊断连接器发生故障，EMM将不向车辆ECU提供关于任一燃料电池的任何信息。需要一种方法来规避这些故障以得到所需要的数据来监测燃料电池堆的健康。

发明内容

鉴于上述和其它的问题，本公开改进了脉宽调制（PWM）信号的帧序列的结尾以在发生连接或部件故障的情况下提供新数据集，该数据集将被用于计算连接到EMM的每个燃料电池的电压。帧序列的结尾的角色是提供标定信号以及指示数据流的开始。在优选的实施例中，帧序列的结尾被改进以添加被连接到EMM的全部燃料电池的总电压值。在发生连接或部件故障的情况下，被报告的全部燃料电池电压的和被从总电压值中减去以发现由于故障而缺失的燃料电池电压。而且，冗余或替换的功率和接地连接被添加到当前EMM架构从而克服在主功率或接地连接中的故障。

根据本发明的第一方面，公开了冗余健康监测系统。该系统使用带有电池电压监测电路和多个诊断连接器的EMM。多个诊断连接器被联接到基体并被电连接到燃料电池堆中的多个燃料电池。电池电压监测电路被构造成发出多个脉冲和帧序列的结尾给接收器电路。多个脉冲中的每一个脉冲对应燃料电池堆中的多个燃料电池中的各个燃料电池的各自电压。帧序列的结尾指示多个脉冲的开始以及被连接到EMM的多个燃料电池的总电压。带有被编程在其内的算法的中央处理单元对各自的电压进行求和并且该和被从总电压中减去以确定至少一个燃料电池的缺失电压。

根据本发明的第二方面，公开了燃料电池堆的冗余健康监测的方法。该方法须要提供一种EMM，其被电连接到燃料电池堆中的多个燃料电池。EMM发出多个脉冲，其中该多个脉冲中的每个脉冲指示燃料电池堆内的多个燃料电池中的各个燃料电池的各自电压。帧序列的结尾被定义为指示多个脉冲的开始，以及被连接到嵌入式测量模块的多个燃料电池的总电压。使用算法计算对应燃料电池堆中的至少一个燃料电池的缺失电压值。每个燃料电池的各自电压被相加得到各自电压的和并且该和被从总电压中减去以确定缺失电压值。

根据本发明的第三方面，公开了燃料电池堆的冗余健康监测系统。该系统使用带有电池电压监测电路和多个诊断连接器的EMM。多个诊断连接器被联接到基体并被电连接到燃料电池堆中的多个燃料电池。电池电压监测电路被构造成光学地发出多个脉冲和帧序列的结尾给接收器电路。多个脉冲中的每一个脉冲对应燃料电池堆中的多个燃料电池中的各个燃料电池的各自电压。帧序列的结尾指示多个脉冲的开始以及被连接到EMM的多个燃料电池的总电压。带有被编程在其内的算法的中央处理单元对各自的电压进行求和并且该和被从总电压中减去以确定至少一个燃料电池的缺失电压。EMM具有主功率源和冗余或替换功率源。冗余功率源被构造成使用被电连接到来自多个诊断连接器中的单独的诊断连接器的至少一个二极管来给EMM提供替换功率源。嵌入式测量模块还具有主接地连接和冗余或替换接地连接。冗余接地连接被电连接到来自多个诊断连接器中的至少一个单独的诊断连接器来给EMM提供替换接地源。

本申请还提供了如下方案：

方案1. 一种用于燃料电池堆的健康监测系统，该系统包括：

嵌入式测量模块，其包括：

电池电压监测电路，其包括：

通信模块；以及

脉冲产生器，其构造成发送多个脉冲和帧序列的结尾给接收器电路，在多个脉冲中的每个脉冲对应在燃料电池堆中的每个燃料电池的各自电压，帧序列的结尾指示多个脉冲的开始以及连接到嵌入式测量模块的多个燃料电池的总电压；以及

多个诊断连接器，其联接到基体并电连接到多个燃料电池；以及

中央处理单元，其具有编程在其内的算法，使得每个燃料电池的各自电压被相加得到各自电压的和，该和被从总电压减去以确定至少一个燃料电池的缺失电压。

方案2. 如方案1所述的健康监测系统，其中通信模块光学地与接收器电路通信。

方案3. 如方案1所述的健康监测系统，其中通信模块电地与接收器电路通信。

方案4. 如方案1所述的健康监测系统，其中通信模块使用无线电波与接收器电路通信。

方案5. 如方案1所述的健康监测系统，其中嵌入式测量模块具有替换功率源，该替换功率源使用至少一个二极管电连接到来自多个诊断连接器的单独的诊断连接器。

方案6. 如方案1所述的健康监测系统，其中嵌入式测量模块具有替换接地连接，该替换接地连接电连接到来自多个诊断连接器的至少一个单独的诊断连接器。

方案7. 如方案1所述的健康监测系统，其中基体是印刷电路板。

方案8. 一种燃料电池堆的冗余健康监测的方法，该方法包括：

提供嵌入式测量模块，其包括多个诊断连接器，所述诊断连接器与燃料电池堆中的多个燃料电池电连接；

接收来自嵌入式测量模块的多个脉冲，其中多个脉冲中的每个脉冲指示燃料电池堆中的多个燃料电池中的各个燃料电池的各自电压；

定义帧序列的结尾，其指示多个脉冲的开始，以及被连接到嵌入式测量模块的多个燃料电池的总电压；以及

使用算法计算对应于多个燃料电池中的至少一个燃料电池的缺失电压值，其中每个燃料电池的各自电压被相加以得到各自电压的和，并且该和被从总电压减去以确定缺失电压值。

方案9. 如方案8所述的方法，还包括光学地接收多个脉冲。

方案10. 如方案8所述的方法，还包括电地接收多个脉冲。

方案11. 如方案8所述的方法，还包括使用无线电波接收多个脉冲。

方案12. 如方案8所述的方法，还包括提供替换功率源给嵌入式测量模块，该替换功率源使用至少一个二极管电连接到来自多个诊断连接器的单独的诊断连接器。

方案13. 如方案8所述的方法，还包括提供替换接地连接，其电连接到来自多个诊断连接器的至少一个单独的诊断连接器。

方案14. 一种用于燃料电池堆的冗余健康监测系统，该系统包括：

嵌入式测量模块，其包括：

多个诊断连接器，其联接到基体并电连接到多个燃料电池；

电池电压监测电路，其包括：

计算模块，其构造成光学地与接收器电路通信；以及

中央处理单元，其具有编程在其内的算法，使得每个燃料电池的各自电压被相加得到各自电压的和，该和被从总电压减去以在多个诊断连接器中之一出现故障时确定至少一个燃料电池的缺失电压；

冗余功率源，包括至少一个二极管，该二极管电连接到来自多个诊断连接器的至少一个单独的诊断连接器以在主功率源出现故障时提供替换功率源；以及

冗余接地连接，其电连接到来自多个诊断连接器的至少一个单独的诊断连接器以在多个诊断连接器中之一出现故障时提供替换接地连接。

附图说明

图1是带有根据本公开的方面的健康监测装置的燃料电池系统的示意框图；

图2描述了包括指数同步序列和电池电压脉冲的PWM信号；以及

图3描述了在包括指数同步序列的电池电压测量信号、锯齿比较信号和输出信号之间的比较。

具体实施方式

首先参考图1，示出了燃料电池系统10的示意框图。燃料电池系统10具有燃料电池堆12，嵌入式测量模块（EMM）26和接收器电路30。在这个非限定性实施例中，燃料电池堆12具有多个堆叠的燃料电池14。EMM26包括堆互连16，其具有多个诊断连接器18和电池电压监测电路28。诊断连接器18被安装到基体并且与多个双极板20电接触，双极板20将燃料电池堆12中的燃料电池14分开。在一个非限定性实施例中，堆互连16包括二十个诊断连接器18。全部二十个诊断连接器18与十七个双极板20接触，十七个双极板20限定十六个燃料电池14。这使得EMM26能够监测十六个燃料电池14的电压。这些十六个燃料电池在图1中被表示为14A-14P并且限定了电池组15。诊断连接器18中的十七个与十七个双极板20接触。其余的三个诊断连接器18实现到十七个双极板20中的三个的冗余连接。在一个实施例中，堆互连16是嵌入式互连，其是燃料电池堆12的一部分，但是其它类型的互连也同样可用。

EMM26被建立为具有标准二十个诊断连接器18。燃料电池堆12的架构包含三百二十个燃料电池14。使用偶数二十个EMM26来监测燃料电池堆12，每个EMM26将监测十六个燃料电池14，在每个EMM26上留下三个诊断连接器18空闲以用于其它目的。

电池电压监测电路28包括通信模块44、功率供应48、和脉冲产生器（下面更具体地讨论）。通信模块44在这个非限制性示例中使用LED来光学通信。通信模块44也可使用电或射频来通信。

功率供应48提供了EMM26运行所需的电能。EMM26通过诊断连接器18中的两个专用连接直接从燃料电池堆12得到其功率。一个连接是用于功率，第二个是用于接地。在优选的实施例，替换功率源58在发生连接或部件故障的情况下从燃料电池堆12直接提供功率。替换功率源58通过多个引线32中的一个被从冗余诊断连接器提供。至少一个二极管59被连接到来自多个诊断连接器18的单独的诊断连接器并且至少一个二极管59被从多个引线32中的一个连接到功率供应48以建立替换功率源58。如在本申请中通篇使用的，替换功率源58也是冗余功率源。

在优选的实施例中，替换接地连接53被提供以确保EMM26在发生连接或部件故障的情况下有到大地的连接。替换接地连接53通过多个引线32中的一个被直接从燃料电池14连接。替换接地连接被从冗余诊断连接器提供并直接连接到功率供应48。如在本申请中通篇使用的，替换接地连接53也是冗余接地连接。

电池电压监测电路28的另一部件是脉冲产生器。脉冲产生器包括多路器34，仪表放大器38，锯齿波产生器42，计数电路36，比较器40，和参考电路50。脉冲产生器的部件将在下面被更具体描述。

在电池电压监测电路28中，多个引线32被电联接到堆互连16中的每个诊断连接器18。引线32的相对端被电联接到多路器34，多路器34在任何给定时间点选择性地从诊断连接器18提供两个电压势信号到仪表放大器38。计数电路36提供序列信号给多路器34以使多路器34选择性地且顺序地从引线32中的一个切换到引线32中的下一个。多路器34的输出在仪表放大器38中被放大使得信号具有的幅值识别正被测量的特定燃料电池14的电压。被放大的电池电压信号被提供到比较器40，其将该信号与由锯齿波产生器42提供的倒转锯齿波比较，其中比较器40的输出是PWM信号。图2中示出了PWM信号。PWM信号具有两个部分；一系列的帧同步脉冲的结尾和数据流。在数据流中的脉冲的宽度定义了电池电压，这将在下面被具体描述。PWM信号被提供到通信模块44，该模块产生具有由脉冲确定的开/关时间的通信信号46。

数据流是脉冲的序列，其中每个脉冲对应在电池组15中的每个燃料电池14的电压测量。帧序列的结尾在最后一个燃料电池14P电压测量脉冲之后被引入到PWM信号中，使得其提供了一个指示，该指示说明在帧序列的结尾之后的下一脉冲是电池组15中的第一燃料电池14A的电压测量脉冲。所讨论类型的电池电压监测电路28按顺序地测量电池组15内的多个燃料电池14的电压。当电池组15中的最后一个燃料电池14P的电压被测量时，序列返回到电池组15中的第一燃料电池14A并且开始测量电压，以这种方式按由锯齿波产生器42设置的速度顺序通过电池组15。

图2是曲线图，水平轴是时间，竖直轴是幅值，该曲线图示出了被从比较器40输出的类型的PWM信号60。帧同步脉冲64的结尾提供了标识方式，该标识方式在被解码时提供了接下来是数据流190的指示。电池组中的第一个电池（参见图1）将是数据流190中的在帧同步脉冲64的结尾后的第一个信号194，而最后一个信号196对应电池组中的最后一个电池，同时数据流190结束。帧同步脉冲64的格式或方式在这个实施例中是高脉冲66，接着是低脉冲68，再接着是高脉冲66，然后是最后脉冲198（H－L－H－L）。这种方式被具体选择以提供帧同步脉冲64的结尾的所定义序列，该序列在图1中示出的燃料电池的实际电压测量中非常不可能发生，因此提供了良好的指示，来说明脉冲是帧同步脉冲64的结尾。在优选的实施例中，帧同步脉冲64的前三个结尾（H－L－H）的脉宽可对于高脉冲66和低脉冲68来说总是同样的。在帧同步脉冲64的结尾的最后脉冲198的脉宽可被用于指示电池组的总电压。最后脉冲198可不具有和前三个脉冲66和68同样的脉宽。数据流190的脉冲62的脉宽由电池组中的燃料电池的实际电压建立，这在下面将被具体讨论。

帧同步脉冲64的结尾的脉宽可被选择为使得脉宽幅值是已知的、一致的并且在数据流190的任何可能的脉宽之外。在一个非限定性示例中，高脉冲66的脉宽为1.235V，而低脉冲68的脉宽是-1.235V。由锯齿波（图3）提供的调制建立了PWM信号60，使得高电压具有窄脉宽而低电压具有宽脉宽。

在本公开中，帧同步脉冲64的结尾的最后脉冲198的脉宽被改变以指示图1中的电池组中的全部燃料电池的总电压测量。总电压测量在幅值方面比数据流190中的电池组的任何单个电压测量都大。总电压测量的幅值用于两个功能。第一个是传统的指示数据流190的结尾的功能。第二个是实际的、可用的总电压测量，该总电压测量可由电子控制单元（ECU）解译和使用。

帧同步脉冲64的结尾可被以任何合适方式添加到PWM信号60。在燃料电池系统10中，参考电路50产生变为帧同步脉冲64的结尾的按顺序排列的值。在电池组15中的最后一个燃料电池14P被测量后，计数电路36将来自参考电路50的信号按顺序排列成PWM信号60。总电压测量被提供给通向多路器34的线52上的一系列引脚，多路器按顺序将电压值提供给仪表放大器38并然后提供给比较器40。在高脉冲66，低脉冲68和帧同步脉冲的最后脉冲198结尾之间的区别由使用锯齿波70的调制提供，锯齿波70在图3中示出并在下面被更具体讨论。

帧同步脉冲64的结尾允许电压测量被标定，在这个非限定实施例中，每秒250次。换句话说，脉冲为高的时间量被与高脉冲66比较从而给出会低于该值的电压测量。因为帧同步脉冲64的结尾的序列代表数据流190的开始，并且那些传感器是按燃料电池堆12中的燃料电池14的顺序进行的，所以每个脉冲62具体确定了正被监测的电池组15中的哪一个燃料电池14与脉冲62相关联。

图3是曲线图，水平轴是时间，竖直轴是幅值，该曲线图示出了比较器40的输入之间的关系从而提供了电池电压测量信号的调制和从通信模块44输出的通信信号46。在图3的顶部，来自锯齿波产生器42的锯齿波70被示出为叠加在来自仪表放大器38的电压信号72上。电压信号72的部分74包括四个方波脉冲，这些方波脉冲是由参考电路50提供的帧同步脉冲的结尾。当这四个方波脉冲被锯齿波70调制时，帧同步脉冲的结尾被产生为如图2中所示。电压信号72的正部分76将变为通信信号46的窄宽度脉冲80，而电压信号72的负部分78将变为通信信号46的宽宽度脉冲82。

在优选的实施例中，如果锯齿波70在幅值方面大于电压信号72，那么比较器输出脉冲62，这使得通信模块中的LED导电并产生光信号。这由图3上的曲线图的底部示出，其中“1”代表LED开启而“0”代表LED关闭。特别地，由锯齿波70提供的角度建立了对与电压测量信号的幅值相关的脉冲的宽度的调制。因此，光学信号的脉冲对于高电压要比它们用于低电压时要窄。当电压脉冲84的幅值升高时，其由锯齿波70的更窄部分覆盖，这建立了光学信号中的更窄脉冲。因此，由正被测量的特定燃料电池的更高电压代表的电压脉冲84的幅值越大，用于该电压测量的脉冲越窄，这代表了更高的电压。

回看图1，在使用光通信的优选实施例中，接收器电路30包括一系列接收器通道，在通道中存在用于EMM26中每一个的单个通道90。每个通道90包括接收通信信号46的光电二极管92和将二极管电流转换为代表性电压的跨阻抗放大器94。来自跨阻抗放大器94的电压信号此后被发送到比较器96以确定其在期望范围内，并且如果如此，此后就被发送到主中央处理单元（CPU）98，该单元接收来着全部通道90的信号。CPU98解码电压信号的开/闭序列以确定帧同步脉冲64的结尾，使得每一新组的实际电压测量信号被重新标定到每一测量的起始标定序列。CPU98使用已经被解码的电压脉冲的宽度来确定最小电池电压、最大电池电压、平均电池电压、和每个电池的实际电压。这个信息被提供给双控制器局域网络（CAN）100，该网络通过一系列接口电路（SIU）102提供该信息给车辆总线并且此后提供给车辆ECU（未示出），该ECU控制燃料电池系统10，例如控制反应物流动速度、堆相对湿度等。PWM信号60的边缘到边缘的时间不会超过CPU98内的计时器捕获单元的能力。

虽然已经为了说明本发明的目的示出了某些代表性的实施例和细节，但是本领域技术人员容易想到进行各种改变，而不脱离本发明的范围，该范围进一步在下面所附权利要求中描述。例如，在EMM26和接收器电路30之间的通信可通过电线用电的方式、无线电波或所示的光学方式完成。而且，基体可以是印刷电路板。

Claims

1.一种用于燃料电池堆的健康监测系统，该系统包括：

嵌入式测量模块，其包括：

电池电压监测电路，其包括：

通信模块；以及

2.如权利要求1所述的健康监测系统，其中通信模块光学地与接收器电路通信。

3.如权利要求1所述的健康监测系统，其中通信模块电地与接收器电路通信。

4.如权利要求1所述的健康监测系统，其中通信模块使用无线电波与接收器电路通信。

5.如权利要求1所述的健康监测系统，其中嵌入式测量模块具有替换功率源，该替换功率源使用至少一个二极管电连接到来自多个诊断连接器的单独的诊断连接器。

6.如权利要求1所述的健康监测系统，其中嵌入式测量模块具有替换接地连接，该替换接地连接电连接到来自多个诊断连接器的至少一个单独的诊断连接器。

7.如权利要求1所述的健康监测系统，其中基体是印刷电路板。

8.一种燃料电池堆的冗余健康监测的方法，该方法包括：

9.如权利要求8所述的方法，还包括光学地接收多个脉冲。

10.一种用于燃料电池堆的冗余健康监测系统，该系统包括：

嵌入式测量模块，其包括：

多个诊断连接器，其联接到基体并电连接到多个燃料电池；

电池电压监测电路，其包括：

计算模块，其构造成光学地与接收器电路通信；以及