CN104733742B - 燃料电池堆栈用充入电流生成方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池堆栈用充入电流生成方法及装置，本发明一实施例的燃料电池堆栈用充入电流生成装置包括：开关，维持接通状态或断开状态中的一种状态；电感器，根据上述开关的状态来输出所蓄积的能量；以及转换器，将上述电感器的功率转换为特定电压，向车辆用电池提供。因此，本发明根据开关的状态变化，将在电感器中产生的辅助电压直接向其他负荷提供，或者将辅助电压变化为特定电压，来向其他负荷提供，从而具有能够改善系统的效率的效果。

Description

燃料电池堆栈用充入电流生成方法及装置
技术领域
本发明的实施例涉及燃料电池堆栈用充入电流生成方法及执行该燃料电池堆栈用充入电流生成方法的装置。
背景技术
燃料电池为无需借助燃烧将燃料所具有的化学能变成热，而是在堆栈内以电化学方式发生反应，从而转换为电能的一种发电装置，上述燃料电池不仅能够供给产业用、家庭用及车辆驱动用电力，而且还能适用于小型的电器/电子产品，尤其能够适用于便携式装置的供电。
当前，作为用于驱动车辆的供电源，最普遍研究的是燃料电池中具有最高的功率密度的高分子电解质膜燃料电池(PEMFC：Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell，Proton Exchange Membrane Fuel Cell)形态，其因低的工作温度而具有快速的起动时间和快速的电力转换反应时间。
这种高分子电解质膜燃料电池包括：膜电极接合体(MEA：Membrane ElectrodeAssembly)，以由氢离子所移动的固体高分子电解质膜为中心，在膜的两侧附着有引起电化学反应的催化剂电极层；气体扩散层(GDL；Gas Diffusion Layer)，起到使反应气体均匀地分布，且传递所产生的电能的作用；密封圈及紧固机构，用于维持反应气体及冷却水的气密性和适当的紧固压；以及分离板(Bipolar Plate)，使反应气体及冷却水移动。
当利用这种单位电池结构来组装燃料电池堆栈时，在电池内的最内侧设有作为主要结构部件的膜电极接合体及气体扩散层的组合，而膜电极接合体在高分子电解质膜的双面具有以能够与氢和氧发生反应的方式涂敷了催化剂的催化剂电极层，即，正极(Anode)及负极(Cathode)，并在正极及负极所处的外侧部分层叠有气体扩散层、密封圈等。
在气体扩散层的外侧设有分离板，在上述分离板形成有用于供给反应气体(作为燃料的氢和作为氧化剂的氧或空气)，并由冷却水所通过的流场(Flow Field)。在将这种结构作为单位电池来层叠多个单位电池之后，在最外侧结合集电板(Current Collector)、绝缘板及用于支撑层叠电池的端板(End Plate)，而在端板之间反复层叠并紧固单位电池，从而构成燃料电池堆栈。
为了获得实际车辆所需的电位，应层叠与所需电位相对应的单位电池，而层叠单位电池后形成堆栈。在一个单位电池中所产生的电位约1.3V，为了生产出车辆的驱动所需的电力而以串联的方式层叠多个电池。
发明内容
本发明的目的在于，提供燃料电池堆栈用充入电流生成方法及执行该燃料电池堆栈用充入电流生成方法的装置，上述燃料电池堆栈用充入电流生成方法及执行该燃料电池堆栈用充入电流生成方法的装置能够将因开关的状态变化而使从燃料电池堆栈向负荷流动的堆栈电流产生交流成分，从而简化为了燃料电池堆栈的故障诊断而生成交流电流的装置的结构，来减少部件的体积，由此也能够降低产品的价格。
并且，本发明的目的在于，提供燃料电池堆栈用充入电流生成方法及执行该燃料电池堆栈用充入电流生成方法的装置，上述燃料电池堆栈用充入电流生成方法及执行该燃料电池堆栈用充入电流生成方法的装置根据开关的状态变化，能够直接向其他负荷提供从电感器中发生的辅助电压，或者将上述辅助电压变化为特定电压之后，向其他负荷提供，从而能够改善系统的效率。
并且，本发明的目的在于，提供燃料电池堆栈用充入电流生成方法及执行该燃料电池堆栈用充入电流生成方法的装置，上述燃料电池堆栈用充入电流生成方法及执行该燃料电池堆栈用充入电流生成方法的装置由于不使用电阻，因而能够减少基于在电阻流动的电流的热损失，由此能够使放热对策变得容易，减少部件的体积，降低部件的价格。
本发明所要解决的问题并不局限于以上所述的问题，本发明所属领域的技术人员能够从以下的记载中明确地理解未提及的其他问题。
在实施例中，燃料电池堆栈用充入电流生成装置，包括：开关，维持接通状态或断开状态中的一种状态；电感器，根据上述开关的状态来输出所蓄积的能量；以及转换器，将上述电感器的功率向其他负荷提供，或者将上述功率转换为特定电压，来向其他负荷提供。
在一实施例中，上述开关可根据生成对象频率，以特定时间单位发生状态变化，并使从上述燃料电池堆栈中施加的信号电流产生矩形波形态的交流成分。
在一实施例中，当上述开关的状态维持接通状态时，上述电感器可蓄积能量，若上述开关的状态从接通状态转换为断开状态，则上述电感器可向将所蓄积的上述能量输出为辅助电压。
在一实施例中，燃料电池堆栈用充入电流生成装置还可以包括控制部，上述控制部利用上述信号电流来计算出上述燃料电池堆栈的电流，利用上述燃料电池堆栈的电流及上述燃料电池堆栈的电压来计算出上述燃料电池堆栈的阻抗。
在一实施例中，上述控制部可对上述信号电流进行频率分析，来计算出与特定频率对应的燃料电池堆栈的电流。
在一实施例中，上述控制部可对上述燃料电池堆栈的电压进行频率分析，来计算出与特定频率对应的燃料电池堆栈的电压。
在一实施例中，上述控制部可利用与上述特定频率对应的频率分析的结果来计算出总谐波失真(THD：Total Harmonic Distortion)，利用上述总谐波失真来判断上述燃料电池堆栈是否发生故障。
在一实施例中，上述控制部可判断上述总谐波失真是否为特定总谐波失真以上，并根据上述判断结果，来判断上述燃料电池堆栈是否发生故障。
在一实施例中，上述控制部可计算出与300Hz或10Hz中的一个频率对应的燃料电池堆栈的电压。
在实施例中，在燃料电池堆栈用充入电流生成装置中执行的燃料电池堆栈用充入电流生成方法包括：当开关的状态维持接通状态时，在电感器的两端蓄积能量的步骤；若上述开关的状态从接通状态转换为断开状态，则所蓄积的上述能量输出为辅助电压的步骤；以及转换器将辅助电压转换为特定电压，来向车辆用电池提供。
在一实施例中，上述燃料电池堆栈用充入电流生成方法还可以包括上述开关的状态根据生成对象频率，以特定时间单位发生变化，并使从上述燃料电池堆栈中施加的信号电流产生矩形波形态的交流成分。
在一实施例中，燃料电池堆栈用充入电流生成方法还可以包括：利用上述信号电流来计算出上述燃料电池堆栈的电流的步骤；以及利用上述燃料电池堆栈的电流及上述燃料电池堆栈的电压来计算出上述燃料电池堆栈的阻抗的步骤。
在一实施例中，计算出上述燃料电池堆栈的电流的步骤可包括分析上述信号电流的频率，来计算出与特定频率对应的燃料电池堆栈的电流的步骤。
在一实施例中，计算出上述燃料电池堆栈的阻抗的步骤可包括分析上述燃料电池堆栈的电压的频率，来计算出与特定频率对应的燃料电池堆栈的电压的步骤。
在一实施例中，计算出上述燃料电池堆栈的电压的步骤可包括利用与上述特定频率对应的频率分析的结果来计算出总谐波失真(THD，Total Harmonic Distortion)，利用上述总谐波失真来判断上述燃料电池堆栈是否发生故障的步骤。
在一实施例中，判断上述燃料电池堆栈是否发生故障的步骤可包括判断上述总谐波失真是否为特定总谐波失真以上，并根据上述判断结果来判断上述燃料电池堆栈是否发生故障的步骤。
在一实施例中，计算出与特定频率对应的燃料电池堆栈的电压的上述步骤可计算出与300Hz或10Hz中的一个频率对应的燃料电池堆栈的电压。
其他实施例的具体事项包括在详细的说明及附图中。
以下参照附图详细说明的实施例会让本发明的优点和/或特征及实现这些优点和特征的方法更加明确。但是，本发明并不局限于以下所公开的实施例，能够以互不相同的各种方式实施，本实施例只用于使本发明所属技术领域的普通技术人员完整地理解本发明的范畴，本发明仅由发明要求保护范围定义。在说明书全文中，相同的附图标记表示相同的结构要素。
根据本发明，具有如下效果：将因开关的状态变化而使从燃料电池堆栈向负荷流动的堆栈电流产生交流成分，从而简化为了燃料电池堆栈的故障诊断而生成交流电流的装置的结构，来减少部件的体积，由此也能够降低产品的价格。
并且，根据本发明，具有如下效果：根据开关的状态变化，能够直接向其他负荷提供从电感器中发生的辅助电压，或者将上述辅助电压变化为特定电压之后，向其他负荷提供，从而能够改善系统的效率。
并且，根据本发明，具有如下效果：由于不使用电阻，因而能够减少基于在电阻流动的电流的热损失，由此能够使放热对策变得容易，减少部件的体积，降低部件的价格。
附图说明
图1为用于说明本发明一实施例的燃料电池堆栈用充入电流生成装置的框图。
图2为表示向本发明的燃料电池堆栈充入的信号电流及信号电流的频率分析结果的图表。
图3为表示本发明的燃料电池堆栈的电压及对燃料电池堆栈的电压进行频率分析的结果的图表。
图4为用于说明本发明的燃料电池堆栈用充入电流生成方法的一实施例的流程图。
图5为用于说明本发明的燃料电池堆栈用充入电流生成方法的一实施例的流程图。
附图标记的说明
100：燃料电池堆栈用充入电流生成装置
110：燃料电池堆栈
120：电感器
130：开关
140：转换器
150：电流传感器
160：控制部
具体实施方式
现有的燃料电池堆栈故障诊断装置利用向燃料电池堆栈充入交流电流，检测燃料电池堆栈的电压并进行分析的结果来求得失真率(THD)，从而判断是否故障。
在工作电流中追加正弦波的交流电流来使用的情况下，正常电池的电压在线性区间发生电压变化，非正常电压在非线性区间发生电压变化。此时，燃料电池堆栈的电流成为基本工作电流和正弦波电流之和。
测定基于燃料电池堆栈的电流的燃料电池堆栈的电压，而正常电池的电压的基于电流变化的失真率小，相反，非正常电池的电压根据电池电流的变化，电压振幅大，且失真率也大。
失真率以所充入的交流电流的基本频率与总谐波成分之和来计算。现有的燃料电池堆栈故障诊断装置通过燃料电池堆栈电压的频率分析来计算失真率，并诊断电池电压，从而能够判断燃料电池堆栈是否故障。
观察现有的燃料电池堆栈故障诊断装置的结构要素，大致分为燃料电池堆栈的充入部、用于测定燃料电池堆栈的电压的部分及诊断故障的结构等三个结构要素。
为了诊断利用失真率的燃料电池堆栈的故障，向燃料电池堆栈充入交流电流。为了生成这种交流电流，通过DC-DC转换器使与车辆用电池对应的电压的直流电流升压，并通过DC-AC转换器使直流电流变化为交流电流之后，仅对特定频率进行滤波，从而向燃料电池堆栈施加。
像这样，为了诊断燃料电池堆栈的故障而充入交流电流的方法由于结构复杂，且需要很多部件，因而具有部件价格上升的缺点。本发明为了解决这种问题而提供将通过改变开关的状态来使从燃料电池堆栈中施加的信号电流产生交流成分的燃料电池堆栈用充入电流生成方法及执行该燃料电池堆栈用充入电流生成方法的装置。
以下，参照附图对本发明的实施例进行详细说明。
图1为用于说明本发明一实施例的燃料电池堆栈用充入电流生成装置的框图。
参照图1，燃料电池堆栈用充入电流生成装置100包括燃料电池堆栈110、电感器120、开关130、转换器140、电流传感器150及控制部160。
燃料电池堆栈110由多个单位电池连续地排列。这种燃料电池堆栈110中施加有信号电流，而信号电流包括根据开关130的状态变化来生成的交流成分。包括在信号电流的交流成分直接影响燃料电池堆栈110的电流。
因此，可通过分析从燃料电池堆栈110中施加的信号电流来计算出燃料电池堆栈110的电流。对这种过程而言，在对以下的控制部160进行说明的过程中进行更具体的说明。
电感器120根据开关130的状态变化来输出所蓄积的能量。更具体地，当开关130的状态维持接通状态时，电感器120在两端蓄积能量，若开关130的状态变更为断开状态，则由于无法放出蓄积于电感器130的两端的能量而输出异常电压(即，辅助电压)。在此，辅助电压意味着500V以上的电压。
开关130根据控制部170的控制，以特定频率变化为接通状态或断开状态，并使从燃料电池堆栈110施加的信号电流产生交流成分。
在一实施例中，开关130以特定频率变化为接通状态或断开状态，并使从燃料电池堆栈110施加的信号电流产生接近矩形波形态的交流成分。
例如，开关130根据从控制部170接收的脉冲宽度调制方法，以300Hz变化为接通状态或断开状态，并能使信号电流产生接近300Hz的矩形波形态的交流成分。像这样，参照以下图2对信号电流进行更具体的说明。
开关130以特定时间单位变化为接通状态或断开状态。在一实施例中，开关130可根据生成对象频率(例如，300Hz或10Hz)，以快或慢的方式变化为接通状态或断开状态。
转换器140将从电感器120中产生的辅助电压转换为特定电压，来向其他负荷提供(例如，对车辆用电池进行充电)。例如，转换器140可将从电感器120中产生的500V的辅助电压降压为12V的辅助电压。这种转换器140为了与降压型DC-DC转换器或辅助电压之类的高电压之类的绝缘而可以成为DC-DC转换器。
与图1所示不同，转换器140能够在无需将辅助电压变化为特定电压的情况下，直接向其他负荷(例如，高电压电池等)提供。
电流传感器150测定信号电流的值，来向控制部160提供。
控制部160利用燃料电池堆栈110的电流及燃料电池堆栈110的电压来计算出燃料电池堆栈110的阻抗。对这种过程进行更具体的说明。
若从电流传感器140接收信号电流，则控制部160可利用信号电流来计算出燃料电池堆栈110的电流。在此，信号电流意味着从燃料电池堆栈110中施加的电流。从燃料电池堆栈110中施加的信号电流包括交流成分，交流成分直接影响燃料电池堆栈110的电流。因此，控制部160能够通过分析从燃料电池堆栈110中施加的信号电流，来计算出燃料电池堆栈110的电流。
在一实施例中，若从电流传感器140接收信号电流，则控制部160可对信号电流的频率进行分析，从而能够计算出与特定频率对应的燃料电池堆栈的电流。例如，若从电流传感器140接收信号电流，则控制部160可对信号电流的频率进行分析，从而能够计算出与300Hz对应的燃料电池堆栈110的电流。
并且，控制部160可通过测定燃料电池堆栈110的电压，并对燃料电池堆栈110的电压进行频率分析，来计算出与特定频率对应的燃料电池堆栈的电压。
并且，控制部160可利用燃料电池堆栈的电流及上述燃料电池的堆栈的电压来计算出燃料电池堆栈110的阻抗。
在一实施例中，控制部160可基于以下数学式1来计算出燃料电池堆栈110的阻抗。
(数学式1)
A＝V/I
A：燃料电池堆栈的阻抗
V：燃料电池堆栈的电压
I：燃料电池堆栈的电流
例如，控制部160利用与300Hz对应的燃料电池堆栈110的电压及与300Hz对应的燃料电池堆栈110的电流来计算出燃料电池堆栈110的阻抗。
并且，控制部160可利用与特定频率对应的频率分析的结果来判断燃料电池堆栈110是否发生故障。
在一实施例中，控制部160可利用与特定频率对应的频率分析的结果来计算出总谐波失真，并能利用总谐波失真来判断燃料电池堆栈是否发生故障。例如，控制部160可利用与10Hz对应的燃料电池堆栈110的电压来计算出总谐波失真，并能利用总谐波失真来判断燃料电池堆栈是否发生故障。
图2为表示向本发明的燃料电池堆栈充入的信号电流及信号电流的频率分析结果的图表。
图2的(a)部分为表示向燃料电池堆栈充入的信号电流的图表，图2的(b)部分为表示向燃料电池堆栈充入的信号电流的频率分析结果的图表。
燃料电池堆栈用充入电流生成装置100向燃料电池堆栈110(图1)充入信号电流。此时，向燃料电池堆栈110充入的信号电流中包括根据开关130(图1)的状态变化来生成的交流成分。
开关130以特定频率变化为接通状态或断开状态，并使信号电流产生交流成分，而开关130所生成的交流成分为矩形波形态。因此，如图2的(a)部分所示，向燃料电池堆栈110充入的信号电流呈现出矩形波形态。
燃料电池堆栈用充入电流生成装置100可对如图2的(a)部分所示的信号电流的频率进行分析，从而获得图2的(b)部分所示的图表，在图2的(b)部分中计算出与300Hz对应的燃料电池堆栈的电流。像这样，在计算出燃料电池堆栈的电流的过程中，利用信号电流的理由在于，包括在信号电流的交流成分直接影响燃料电池堆栈110的电流。
图3为表示本发明的燃料电池堆栈的电压及对燃料电池堆栈的电压进行频率分析的结果的图表。
图3的(a)部分为表示燃料电池堆栈的电压的图表，图3的(b)部分为表示对燃料电池堆栈的电压进行频率分析的结果的图表。
燃料电池堆栈用充入电流生成装置100可通过测定燃料电池堆栈110的电压，来获得如图3的(a)部分所示的图表，可通过对燃料电池堆栈110的电压进行频率分析，来获得如图3的(b)部分所示的图表，并且，能够在图3的(b)部分中计算出与300Hz对应的燃料电池堆栈的电压。
图4为用于说明本发明的燃料电池堆栈用充入电流生成方法的一实施例的流程图。
参照图4，当开关的状态维持接通状态时，燃料电池堆栈用充入电流生成装置110在电感器蓄积能量(步骤S410)。若开关的状态从接通状态转换为断开状态，则燃料电池堆栈用充入电流生成装置110将蓄积于电感器的能量输出为辅助电压(步骤S420)。燃料电池堆栈用充入电流生成装置110向其他负荷提供辅助电压，或者将辅助电压转换为特定电压，来向其他负荷提供(步骤S430)。
图5为用于说明本发明的燃料电池堆栈用充入电流生成方法的另一实施例的流程图。
参照图5，燃料电池堆栈用充入电流生成装置100改变开关的状态，并使从燃料电池堆栈中施加的信号电流产生交流成分(步骤S510)。燃料电池堆栈用充入电流生成装置100利用信号电流来计算出燃料电池堆栈的电流(步骤S520)。燃料电池堆栈用充入电流生成装置100测定燃料电池堆栈的电压(步骤S530)。燃料电池堆栈用充入电流生成装置100利用燃料电池堆栈的电流及燃料电池堆栈的电压来计算出燃料电池堆栈的阻抗(步骤S540)。
到目前为止，虽然对本发明的具体实施例进行了说明，但在不脱离本发明的范围的情况下，能够进行多种变形。因此，本发明的范围不应局限于上述的实施例，而是应根据后述的发明要求保护范围的范围及与该发明要求保护范围等同的内容而定。
如上所述，本发明虽然通过限定的实施例和附图进行了说明，但本发明并不局限于上述的实施例，只要是本发明所属技术领域的普通技术人员，就能从这种记载中进行多种修改及变形。因此，本发明应只通过发明要求保护范围来掌握，且发明要求保护范围的等同或等价的变形应全部视为属于本发明思想的范畴。

Claims (17)

1.一种燃料电池堆栈用充入电流生成装置，其特征在于，包括：
开关，维持接通状态或断开状态中的一种状态；
电感器，根据上述开关的状态来蓄积能量或者输出所蓄积的能量为信号电流和辅助电压；以及
转换器，将所述辅助电压向其他负荷提供，或者将所述辅助电压转换为特定电压，来向其他负荷提供，
其中，所述信号电流被施加到所述燃料电池堆栈。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆栈用充入电流生成装置，其特征在于，上述开关以特定时间单位发生状态变化，并使从上述燃料电池堆栈中施加的信号电流产生矩形波形态的交流成分。
3.根据权利要求1所述的燃料电池堆栈用充入电流生成装置，其特征在于，当上述开关的状态维持接通状态时，上述电感器在两端蓄积能量，若上述开关的状态从接通状态转换为断开状态，则上述电感器将所蓄积的上述能量输出为所述辅助电压。
4.根据权利要求2所述的燃料电池堆栈用充入电流生成装置，其特征在于，还包括控制部，上述控制部利用上述信号电流来计算出上述燃料电池堆栈的电流，利用上述燃料电池堆栈的电流及上述燃料电池堆栈的电压来计算出上述燃料电池堆栈的阻抗。
5.根据权利要求4所述的燃料电池堆栈用充入电流生成装置，其特征在于，上述控制部对上述信号电流进行频率分析，来计算出与特定频率对应的燃料电池堆栈的电流。
6.根据权利要求4所述的燃料电池堆栈用充入电流生成装置，其特征在于，上述控制部对上述燃料电池堆栈的电压进行频率分析，来计算出与特定频率对应的燃料电池堆栈的电压。
7.根据权利要求6所述的燃料电池堆栈用充入电流生成装置，其特征在于，上述控制部利用与上述特定频率对应的频率分析的结果来计算出总谐波失真，利用上述总谐波失真来判断上述燃料电池堆栈是否发生故障。
8.根据权利要求7所述的燃料电池堆栈用充入电流生成装置，其特征在于，上述控制部判断上述总谐波失真是否为特定总谐波失真以上，并根据上述判断结果，来判断上述燃料电池堆栈是否发生故障。
9.根据权利要求6所述的燃料电池堆栈用充入电流生成装置，其特征在于，上述控制部计算出与300Hz或10Hz中的一个频率对应的燃料电池堆栈的电压。
10.一种燃料电池堆栈用充入电流生成方法，在燃料电池堆栈用充入电流生成装置中执行，其特征在于，包括：
当开关的状态维持接通状态时，在电感器蓄积能量的步骤；
若上述开关的状态从接通状态转换为断开状态，则所蓄积的上述能量输出为信号电流和辅助电压的步骤；以及
转换器向其他负荷提供上述辅助电压，或者将上述辅助电压转换为特定电压，来向其他负荷提供，
其中，所述信号电流被施加到所述燃料电池堆栈。
11.根据权利要求10所述的燃料电池堆栈用充入电流生成方法，其特征在于，还包括上述开关的状态以特定时间单位发生变化，并使从上述燃料电池堆栈中施加的信号电流产生矩形波形态的交流成分的步骤。
12.根据权利要求11所述的燃料电池堆栈用充入电流生成方法，其特征在于，还包括：
利用上述信号电流来计算出上述燃料电池堆栈的电流的步骤；以及
利用上述燃料电池堆栈的电流及上述燃料电池堆栈的电压来计算出上述燃料电池堆栈的阻抗的步骤。
13.根据权利要求12所述的燃料电池堆栈用充入电流生成方法，其特征在于，计算出上述燃料电池堆栈的电流的步骤包括：分析上述信号电流的频率，来计算出与特定频率对应的燃料电池堆栈的电流的步骤。
14.根据权利要求12所述的燃料电池堆栈用充入电流生成方法，其特征在于，计算出上述燃料电池堆栈的阻抗的步骤包括：分析上述燃料电池堆栈的电压的频率，来计算出与特定频率对应的燃料电池堆栈的电压的步骤。
15.根据权利要求14所述的燃料电池堆栈用充入电流生成方法，其特征在于，还包括：利用与上述特定频率对应的频率分析的结果来计算出总谐波失真，利用上述总谐波失真来判断上述燃料电池堆栈是否发生故障的步骤。
16.根据权利要求15所述的燃料电池堆栈用充入电流生成方法，其特征在于，判断上述燃料电池堆栈是否发生故障的步骤包括：判断上述总谐波失真是否为特定总谐波失真以上，并根据上述判断结果来判断上述燃料电池堆栈是否发生故障的步骤。
17.根据权利要求14所述的燃料电池堆栈用充入电流生成方法，其特征在于，计算出与特定频率对应的燃料电池堆栈的电压的上述步骤中，计算出与300Hz或10Hz中的一个频率对应的燃料电池堆栈的电压。
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