CN104025355B - 用于测量燃料电池中的电压的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量在燃料电池(32)中的电池电压的设备，所述燃料电池包含通过双极板(3、4、5)分隔的N个电化学电池，其中N是自然数，所述设备包括至少两个电压测量模块(1、2)，每个模块能够测量来自燃料电池的邻近电池的集合的M个电压，其中M是小于或等于N/2的自然数，通过第一模块(1)测量的电池组邻近通过第二模块(2)测量的电池组，包括电子计算机(2)以及有线通信总线(15)，有线通信总线(15)将至少两个测量设备串联连接至计算机，每一个测量模块包括用于将所述模块附接到所述燃料电池(30)的机械装置、电压测量装置(10)、用于将所述双极板电连接到至少一个电压测量装置的装置，以及用于将所述电压测量装置连接到所述通信总线的装置(11，12，16，17)。

Description

用于测量燃料电池中的电压的设备

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其是用于监测这样的电池的系统的领域。更具体地，其涉及用于测量燃料电池中的电压的设备。

燃料电池在许多应用中显示出日渐成功。作为电动车辆的发展的一部分，它们在汽车工业中尤其具有利益性，这是因为它们与燃料箱结合形成了清洁的发电机，其比电池组类型的电化学蓄电池提供了更大的能量密度，并且显示出良好的效率。

在燃料电池中，通过两个化学反应产生电力：在一个电极上燃料(例如氢)的氧化与在另一个电极上氧化剂(例如氧气)的还原相联接。这两个化学反应发生在电池内，该电池通常包括阳极和阴极，在它们之间布置有形成膜电极(MEA)的薄膜。可以使用各种类型的薄膜，已知例如离子交换薄膜或者固态氧化薄膜。

背景技术

根据应用，证明必须使用显示出或多或少的大电池堆的燃料电池，目的是提供想要的电源量。例如，在电动车辆的领域中，遇到具有多于一百个堆叠的电池的堆并不罕见。堆因此由一组通过双极板分隔的MEA构成。这些板包括阳极侧和阴极侧，其用于对堆的邻近电池输送气体。然而，堆的第一个和最后一个板不是双极的，并且仅显示出一个极性。由于语言的误用，堆常被称为燃料电池，并且每个MEA被称为电池或电化学电池。在本申请中该词将在后面使用。

在用于例如电动车的燃料电池中，必须检测出会导致燃料电池的故障或者危险行为的任何异常。为此目的，获得关于每个电池的信息，尤其是有关产生的电压的个别项是有用的。

根据专利申请US2011/0217612，已知存在包括若干直接安装在燃料电池上的模块的测量设备。每个模块用于测量电池组，并且各个模块通过光信号与彼此通信。该设备额外包括位于燃料电池的端部处的聚合元件，准备接收通过每个模块执行的测量结果。

这样的设备由于其结构而显示出许多缺点。具体而言，模块通过电池自身供电，意味着在一个或多个电池上的电压损耗导致了用于模块的功率的损耗，因此其不再能够执行测量。因而该设备似乎不适于测量非常低的电压，或者甚至略微为负的电压。

因此，本发明的目的是提出一种易于安装和使用，并且可靠和经济的设备以用于补救这些缺点同时提供测量方案。

发明内容

因此，本发明涉及一种用于测量在燃料电池中电池的电压的设备，所述燃料电池包含通过双极板分隔的N个电化学电池，其中N是自然数，所述系统包括：

-至少两个电压测量模块，每个模块能够测量在燃料电池的邻近电池组上的M个电压，其中M是小于或等于N/2的自然数，通过第一模块测量的电池组邻近通过第二模块测量的电池组，

-电子计算机，以及

-有线通信总线，所述有线通信总线将至少两个测量设备串联连接至计算机，

每一个测量模块包括：

-机械装置，所述机械装置用于将所述模块固定在所述燃料电池上，

-电压测量装置，

-电连接装置，所述电连接装置用于将所述双极板连接到至少一个电压测量装置，

-用于将所述电压测量装置连接到所述通信总线的装置，

并且每个模块的形状与邻近的模块配合，通过这样的方式使得连接到第一模块的最后一个双级板也连接到第二模块。

如将在图解本发明的实施方案的附图中明显看出的，所述模块具有这样的形状：显示出使得位于两个邻近布置的模块的边界上的双极板垂直于所述模块的侧面，不借助于额外电连接的使用连接到这两个模块的交错。

此外，以优选的方式，用于将模块固定在燃料电池上的机械固定装置与电连接装置将合并。因此，在特定实施方案中，这些装置将包括连接器，例如类型的内孔连接器，其既提供了机械连接的实现，也提供了电连接的实现。这些内孔连接器包括布置为扣住形成在燃料电池的双极板上并且能够实现连接的金属连接片的两个金属部件。

在本发明的一个特定实施方案中，每个电压测量装置测量两个邻近电池的电压。具体而言，给出燃料电池的电化学电池的厚度，事实证明用于测量每个电池的单个电压的安装装置并不是非常符合人体工学的。此外，观察到测量装置的灵敏度对于穿过两个电池执行的测量是足够的，以提供每个电池的状态的估计。因此，在特定实施方案中，模块对于十六个电池的组执行八个电压测量。

在本发明的特定实施方案中，有线通信总线为(控制器局域网络)类型串行总线，显示出在设备(比如本发明的设备)的背景下有效的稳健性的特性。在另一个特定实施方案中，使用I2C类型总线。

此外，在另一个本发明的特定实施方案中，在所述有线通信总线和所述燃料电池之间所述测量设备包括至少一个电流隔离设备。这样的设备例如包括光耦合器。具体而言，燃料电池由串联连接的电池构成；依据其在燃料电池上的位置，每个测量模块因此相对于燃料电池的负极性位于不同的电势处。因此，适宜在测量装置和共用通信总线之间实施电流隔离。

在本发明的另一个特定实施方案中，每个电压测量模块包括不同于其他模块的地址或者编码。具体而言，如稍后说明的，这使得电子计算机可以定址请求，各个模块通过该请求要求进行测量。

电子计算机用于生成通过设备执行的测量。为此目的，其经由有线通信总线与模块进行通信，并且经由相同的装置接收测量的结果。在本申请的后面部分，该计算机将被称为控制器，但是并不将术语的范围限制为特定类型的元件。

附图说明

在通过以下附图说明的，优选的但非限制性的实施方案的以下描述中，本发明的其他目的和优点将变得清楚，其中：

·图1示意性地表示在燃料电池上的两个测量模块的安装，

·图2表示作为根据本发明的设备的一部分使用的模块的功能图，

·图3表示包括四个测量模块的根据本发明的设备，以及

·图4表示如图1所示的安装的分解图。

具体实施方式

图1表示根据本发明的特定实施方案的设备。该设备包括安装在燃料电池上的第一电压测量模块1和第二电压测量模块2。燃料电池表示在从上的视图中，并且仅仅分隔堆的各个MEA的双极板3是可见的。在附图中，仅有四个板具有标记3，但应当理解的是，承受电压测量的每个水平线都表示双极板。应当注意，在本发明的这个特定示例中，电压测量不在每个电池上执行，而是在两个邻近电池的组上执行。为了简化的目的，在图1中仅表示了在执行电压测量的终端处的双极板，即，相对于完整的堆在两个板中选择一个。

第一模块用于执行八个电压V0到V7的测量，因此覆盖了十六个电池。为此目的，测量模块必须连接到至少九个双极板，如在该附图中所示的。在该特定示例实施方案中，用于将模块支撑在燃料的电池上的位置中的金属连接还用作电连接。如在该附图中所示的，测量模块通过两个连接而连接到每个双极板：一个位于在区域A中的左手侧上，另一个位于在区域B中的右手侧上，但除了第一个和最后一个连接板以外。这导致了在电压V1到V7的测量中的冗余。然而，该冗余也是机械性质的并因此提供了对装配的良好稳定性的保证。

图4显示包括打算安装在燃料电池32上的两个模块1和2的测量设备的示例实施方案。在该特定示例中，模块的连接装置为Faston类型的金属连接器30。双极板设有金属接线片31，使得能够与待安置的连接器进行连接。有利地，一个双极板包括两个金属连接片。

此外，在图1中观察到第一模块1和第二模块2的形状使得双极板4既在连接4a处连接到第一模块，也在连接4b处连接到第二模块。凭借这种形状，在板4和板5之间的电压可以在不借助任何在模块1和模块2之间的额外连接而进行测量。具体而言，如果模块为矩形形状(模块的最长长度平行于板放置)，则双极板4将仅连接到单个模块，例如模块1。在这种情况下，为了测量在板4和板5之间的电压，必须设立有线连接以将板4的电势传输到将执行测量的模块2，或者将板5的电势传输到将在这种情况下执行测量的模块1。

这样的设备显示出在可靠性、安装和使用的简易性以及经济性方面的许多优势。具体而言，每个模块旨在在较少数目(例如十六个)的电池的终端处测量电压。模块的连接之间的间距由电池的厚度给出。现在，取决于燃料电池的结构，并且取决于温度以及装配的夹压，厚度(在整个堆上)可能改变，可能产生阻止预定尺寸的测量设备的安装的总体变化。然而，在十六个电池的装配上，总体变化决不会达到使得根据本发明的实施方案的模块无法安装的程度。此外，这样的模块是简单的和经济的，因为通过单个元件实现了电连接和机械连接。另外，模块的特定形状避免了在设备的模块之间的有线连接的安装，因此简化其安装并且防止在该水平上任何过早地断开。

现在将参考图2描述模块的操作，图2显示了在根据本发明的设备中使用的模块1的示例功能架构。为了简化的目的，在该附图中仅表示了A侧的输入。

模块1连接到九个双极板，由此用于对八个电压V0到V7进行测量。通过八个运算放大器电路10执行这些测量。之后这些电压传输到模数转换器11。该转换器连接到例如等于2.5伏的参考值12，用于比较由电路10传输的测量。

模数转换器11能够仅转换正电压。现在，在本发明的一个实施方案中，理想的情况是也能够测量负电压，其为尤其是由于氢的供应不足而导致的电池的倒转提供了检测。为了补救这点，转换器11还连接到设备13，设备13使得在转换之前能够对测量的电压应用偏置电压。

一旦执行了测量的转换，结果就被传输至数据总线14。该总线例如为I2C(内部集成电路)类型或者类型的串行总线。该数据总线14将数据选路到第二数据总线15，第二数据总线15之后将数据选路到主控制器20(见图3)。如果总线14和15不是相同的类型，则提供微控制器16以将数据转换为总线15所支持的格式是有用的。此外，为了防止存在于燃料电池中的高电压传播到总线15上并且损坏一些元件，具有电流隔离设备17(例如光耦合器)是有用的。

整个的模块1由总线15供电。为此目的，在模块中安装电压-电压转换器18并且使电压-电压转换器18连接至主元件。在优选实施方案中，该转换器还包括电流隔离设备以避免之前提到的问题。

有意在设备中使用如图2所示的模块，在图3中显示了其示例。

该设备包括四个模块19a、19b、19c和19d。每个模块连接到总线15，总线15将它们连接到控制器20。此处模块的数目以示例的方式给出并且不是限制性的。在使用八输入转换器的情况下，四模块设备提供了对三十二个电压的测量。因此在每组两个电池来测量电池的电压的情况下，其可用在具有六十四个电池的燃料电池上。其他模块中的每一个都具有地址21，使得能够对其进行区分。例如，该地址在具有三个状态的三个位上进行编码，并且通过使用焊接点在每个模块上在物理上进行登记，以使电链路表示每个位。

控制器20为管理测量设备的操作，并且尤其是使测量有序的元件。具体而言，电压测量没有不断地传输到控制器，而是仅根据请求。

在没有请求时，模块经由相应的链路22a、22b、22c和22d从总线15中仅得到保持电流，保持电流使得它们能够接收请求并且确定它们是不是相关的。另一方面，在没有请求时，转换器11没有被激活，因此不执行转换。

当有必要进行测量时，控制器20首先将请求发送到总线上，包括模块的地址和想要接收电压的电池的位置。在接收到请求时，定址的模块离开其待命状态，并且从总线15中得到更大的电流。

之后其对之前转换的并且存储在转换器11处的值进行读取，然后触发打算在以后的请求期间使用的新的转换。之后读取的值经由来自链路23a到23d中的相应链路传送到总线15上，并且之后与控制器20进行通信。

因此，燃料电池的控制器20能够根据接收的测量来确定电压没有被锁定，并且它们没有处于正常操作的范围之外。如果检测到错误，则停止燃料电池来防止任何危险的故障是有用的。

因此，根据本发明的设备良好地响应于所需的简易性和可靠性需求。具体而言，总线15起对数据进行通信以及对模块进行供电的作用，由此使得即使在燃料电池故障的情况下测量也能继续。

Claims (6)

1.一种用于测量在燃料电池中电池的电压的设备，所述燃料电池包含通过双极板分隔的N个电化学电池，其中N是自然数，所述设备包括：

-至少两个电压测量模块(1、2)，每个电压测量模块能够测量在燃料电池(32)的邻近电池组上的M个电压，其中M是小于或等于N/2的自然数，通过第一电压测量模块测量的电池组与通过第二电压测量模块测量的电池组相邻，

-电子计算机，以及

-有线通信总线，所述有线通信总线将至少两个电压测量模块串联连接至电子计算机，

每一个电压测量模块包括：

-机械装置，所述机械装置用于将所述电压测量模块固定在所述燃料电池(32)上，

-电压测量装置，

-电连接装置，所述电连接装置用于将所述双极板连接到至少一个电压测量装置，

-用于将所述电压测量装置连接到所述有线通信总线的装置，并且每个电压测量模块(1)的形状与邻近的电压测量模块(2)配合，通过这样的方式使得连接到第一电压测量模块的最后一个双极板也连接到第二电压测量模块，

在所述有线通信总线和所述燃料电池之间额外包括至少一个电流隔离设备，

其中每个电压测量模块包括与其他电压测量模块不同的地址。

2.根据权利要求1所述的用于测量在燃料电池中电池的电压的设备，其中每个电压测量装置测量两个邻近电池的电压。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的用于测量在燃料电池中电池的电压的设备，其中所述电连接装置包括能够还用作机械固定装置的连接器。

4.根据权利要求3所述的用于测量在燃料电池中电池的电压的设备，其中所述电连接装置布置为与布置在所述双极板上的金属连接片配合。

5.根据权利要求1所述的用于测量在燃料电池中电池的电压的设备，其中所述电流隔离设备包括光耦合器。

6.根据权利要求1所述的用于测量在燃料电池中电池的电压的设备，其中M等于8。