CN104733753A - 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：第一转换器，将与车辆用电池对应的电压的直流电流转换为特定电压的直流电流；第二转换器，将被转换的上述直流电流转换为交流电流；滤波器，在被转换的上述交流电流中对预先设定的频带的信号进行滤波；以及控制部，当向上述燃料电池堆栈充入被滤波的上述交流电流时，以没有畸变地充入交流电流的方式进行反馈控制。因此，本发明并不使用去耦电容，而是通过用于接收所反馈的交流电流的闭环控制，使交流电流没有畸变地向堆栈电流施加，并以负荷电流流动，从而因未使用去耦电容而具有可解决部件价格的上升及体积增加的问题的效果。

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 ElectrolyteMembrane 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：MembraneElectrode Assembly)，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，应层叠于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将多个电池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并不使用去耦电容，而是通过用于接收所反馈的交流电流的闭环控制，使交流电流没有畸变地向堆栈电流施加，并以负荷电流流动，从而因未使用去耦电容而能够解决部件价格的上升及体积增加的问题。
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：第一转换器，将与车辆用电池对应的电压的直流电流转换为特定电压的直流电流；第二转换器，将被转换的上述直流电流转换为交流电流；滤波器，在被转换的上述交流电流中对预先设定的频带的信号进行滤波；以及控制部，当向上述燃料电池堆栈充入被滤波的上述交流电流时，以没有畸变地充入交流电流的方式进行反馈控制。
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电流传感器，上述电流传感器感测上述燃料电池堆栈的实际充入电流的值，来向上述控制部提供。
在一实施例中，上述控制部可以确认从上述电流传感器接收的实际交流电流和上述交流电流的差异。
在一实施例中，若上述确认结果为上述实际交流电流和上述交流电流之间发生差异，则上述控制部可控制上述交流电流的振幅。
在一实施例中，若上述实际交流电流小于上述交流电流，则上述控制部可使上述交流电流的振幅变大。
在一实施例中，若上述实际交流电流大于上述交流电流，则上述控制部可使上述交流电流的振幅变小。
在一实施例中，上述第一转换器可使与上述车辆用电池对应的电压的直流电流升压，并转换为上述特定电压的直流电流。
在一实施例中，上述第二转换器可调节被转换的上述直流电流的脉冲宽度，将上述直流电流转换为交流电流。
在一实施例中，上述滤波器可使被转换的上述交流电流中低频部分通过，阻隔被转换的上述交流电流中高频部分，来生成正弦波形态的交流电流。
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可包括：将与车辆用电池对应的电压的直流电流转换为特定电压的直流电流的步骤；将被转换的上述直流电流转换为交流电流的步骤；在被转换的上述交流电流中对预先设定的频带的信号进行滤波的步骤；以及当向上述燃料电池堆栈充入被滤波的上述交流电流时，以没有畸变地充入上述交流电流的方式进行反馈控制步骤。
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接收向上述燃料电池堆栈充入的实际交流电流的步骤。
在一实施例中，以没有畸变地充入上述交流电流的方式进行反馈控制的步骤可包括确认所接收的上述实际交流电流和上述交流电流的差异的步骤。
在一实施例中，确认上述实际交流电流和上述交流电流的差异的步骤可包括若上述确认结果为上述实际交流电流和上述交流电流之间发生差异，则控制上述交流电流的振幅的步骤。
在一实施例中，在控制上述交流电流的振幅的步骤中，若上述实际交流电流小于上述交流电流，则可以使上述交流电流的振幅变大。
在一实施例中，控制上述交流电流的振幅的步骤可包括若上述实际交流电流大于上述交流电流，则使上述交流电流的振幅变小的步骤。
在一实施例中，转换为特定电压的直流电流的上述步骤可包括使与上述车辆用电池对应的电压的直流电流升压，并转换为上述特定电压的直流电流的步骤。
在一实施例中，将被转换的上述直流电流转换为交流电流的步骤可通过调节被转换的上述直流电流的脉冲宽度，来将上述直流电流转换为交流电流。
在一实施例中，对预先设定的频带的信号进行滤波的上述步骤可包括使被转换的上述交流电流中低频部分通过，并阻隔被转换的上述交流电流中高频部分，来生成正弦波形态的交流电流的步骤。
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。
根据本发明的实施例，具有如下效果：不使用去耦电容，而是通过用于接收所反馈的交流电流的闭环控制，使交流电流没有畸变地向堆栈电流施加，并以负荷电流流动，从而因未使用去耦电容而能够解决部件价格的上升及体积增加的问题。
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3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。
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：第一转换器
130：第二转换器
140：滤波器
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。
因此，本发明为了诊断利用失真率的燃料电池堆栈的故障而向燃料电池堆栈充入交流电流。此时，可通过用于阻隔从燃料电池堆栈施加的直流电流，并使交流电流通过的去耦电容来向燃料电池堆栈充入交流电流。
但在交流电流的频率低的情况下，由于在低频的交流电流通过去耦电容的过程中，可发生畸变，因而为了将这种现象最小化，需要使用非常大容量的去耦电容，由此发生部件价格上升及大小增加的问题。
为了解决这种问题，本发明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不使用去耦电容，而是通过用于接收所反馈的交流电流的闭环控制，使交流电流没有畸变地向堆栈电流施加，并以负荷电流流动。
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、第一转换器120、第二转换器130、滤波器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可产生直流电流，并能充入借助控制部160来控制的交流电流。即，为了防止从燃料电池堆栈110中产生的直流电流和向燃料电池堆栈110充入的交流电流之间的冲突，向燃料电池堆栈110充入的交流电流以与借助电流传感器150来感测的实际充入电流相同的方式得到控制部160的控制。这种过程在对以下的控制部160进行说明的过程中进行更具体的说明。
第一转换器120使与车辆用电池对应的电压的直流电流升压，从而升压为特定电压的直流电流，来向第二转换器130提供特定电压的直流电流。在此，第一转换器120可将与车辆用电池对应的电压的直流电流升压为与图1的直流链(DC-Link)对应的电压，而直流链以高于向燃料电池堆栈110施加的直流电流的电压的方式设定。例如，第一转换器120可以为利用12V车辆用电池来升压至500V～600V的DC-DC转换器，而这种DC-DC转换器可以为了与高电压部(即，燃料电池堆栈110的电压(200V～500V)之间的绝缘而成为绝缘DC-DC转换器。
若从第一转换器120接收特定电压的直流电流，则第二转换器130将直流电流转换为交流电流，来向滤波器140提供被转换的交流电流。
在一实施例中，若从第一转换器120接收特定电压的直流电流，则第二转换器130可调节直流电流的脉冲宽度，将直流电流转换为交流电流。例如，第二转换器130可利用脉冲宽度调制方式(PWM：Pulse WidthModulation)，将直流电流转换为交流电流。这种第二转换器130可以为DC-AC转换器。
借助第二转换器130来转换的交流电流为了被转换为正弦波形态的交流电流而需要对预先设定的频带的信号进行滤波。为此，若从第二转换器130接收交流电流，则滤波器140对预先设定的频带(例如，300Hz)的信号进行滤波，并输出被滤波的交流电流。
在一实施例中，滤波器140可使交流电流中低频部分通过，阻断交流电流中高频部分，来生成正弦波形态的交流电流。这种滤波器140可以为低(Low)通滤波器。
电流传感器150感测向燃料电池堆栈充入的实际交流电流，来向控制部160提供。在一实施例中，电流传感器150可以感测在被滤波器140滤波之后，向燃料电池堆栈110充入的实际充入电流，来向控制部160提供。
若从电流传感器150接收实际交流电流，则控制部160确认实际交流电流和充入交流电流之间是否发生差异，并根据确认结果来控制充入交流电流的振幅。控制部160反复执行这种过程，直到实际交流电流和充入交流电流之间不会发生差异为止。
在一实施例中，若实际交流电流小于充入交流电流，则控制部160可控制第二转换器130，使得充入交流电流的振幅变大，从而转换为交流电流。像这样，若控制部160控制第二转换器130，使得交流电流的振幅变大，从而转换为交流电流，则充入交流电流的值也变大。
在另一实施例中，若实际交流电流大于充入交流电流，则控制部160可控制第二转换器130，使得充入交流电流的振幅变小，从而转换为交流电流。像这样，若控制部160控制第二转换器130，使得交流电流的振幅变小，从而转换为交流电流，则充入交流电流的值也会变小。
图2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2，燃料电池堆栈用充入电流生成装置100将与车辆用电池对应的电压的直流电流转换为特定电压的直流电流(步骤S210)。燃料电池堆栈用充入电流生成装置100将被转换的直流电流转换为交流电流(步骤S220)。燃料电池堆栈用充入电流生成装置100在被转换的交流电流中对预先设定的频带的信号进行滤波(步骤S230)。当向上述燃料电池堆栈充入被滤波的电流时，燃料电池堆栈用充入电流生成装置100以没有畸变地充入上述交流电流的方式进行反馈控制(步骤S240)。
图3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3，燃料电池堆栈用充入电流生成装置100从电流传感器接收燃料电池堆栈的实际充入电流(步骤S310)。燃料电池堆栈用充入电流生成装置100确认从电流传感器接收的实际交流电流和向燃料电池堆栈充入的交流电流之间的差异(步骤S320)。若确认结果为实际交流电流和交流电流之间发生差异(步骤S330)，则燃料电池堆栈用充入电流生成装置100控制交流电流的振幅(步骤S340)。
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 (18)

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：
第一转换器，将与车辆用电池对应的电压的直流电流转换为特定电压的直流电流；
第二转换器，将被转换的上述直流电流转换为交流电流；
滤波器，在被转换的上述交流电流中对预先设定的频带的信号进行滤波；以及
控制部，当向上述燃料电池堆栈充入被滤波的上述交流电流时，以没有畸变地充入交流电流的方式进行反馈控制。
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，还包括电流传感器，上述电流传感器感测上述燃料电池堆栈的实际充入电流的值，来向上述控制部提供。
3.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，上述控制部确认从上述电流传感器接收的实际交流电流和上述交流电流的差异。
4.根据权利要求3所述的燃料电池堆栈用充入电流生成装置，其特征在于，若上述确认结果为上述实际交流电流和上述交流电流之间发生差异，则上述控制部控制上述交流电流的振幅。
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，若上述实际交流电流小于上述交流电流，则上述控制部使上述交流电流的振幅变大。
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，若实际交流电流大于上述交流电流，则上述控制部使上述交流电流的振幅变小。
7.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，上述第一转换器使与上述车辆用电池对应的电压的直流电流升压，并转换为上述特定电压的直流电流。
8.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，上述第二转换器调节被转换的上述直流电流的脉冲宽度，来将上述直流电流转换为交流电流。
9.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，上述滤波器使被转换的上述交流电流中低频部分通过，阻隔被转换的上述交流电流中高频部分，来生成正弦波形态的交流电流。
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：
将与车辆用电池对应的电压的直流电流转换为特定电压的直流电流的步骤；
将被转换的上述直流电流转换为交流电流的步骤；
在被转换的上述交流电流中对预先设定的频带的信号进行滤波的步骤；以及
当向上述燃料电池堆栈充入被滤出的上述交流电流时，以没有畸变地充入上述交流电流的方式进行反馈控制的步骤。
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，还包括接收向上述燃料电池堆栈充入的实际交流电流的步骤。
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，以没有畸变地充入上述交流电流的方式进行反馈控制的步骤包括确认所接收的上述实际交流电流和上述交流电流的差异的步骤。
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，确认上述实际交流电流和上述交流电流的差异的步骤包括若上述确认结果为上述实际交流电流和上述交流电流之间发生差异，则控制上述交流电流的振幅的步骤。
14.根据权利要求13所述的燃料电池堆栈用充入电流生成方法，其特征在于，控制上述交流电流的振幅的步骤包括若上述实际交流电流小于上述交流电流，则使上述交流电流的振幅变大的步骤。
15.根据权利要求13所述的燃料电池堆栈用充入电流生成方法，其特征在于，控制上述交流电流的振幅的步骤包括若上述实际交流电流大于上述交流电流，则使上述交流电流的振幅变小的步骤。
16.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，转换为特定电压的直流电流的上述步骤包括使与上述车辆用电池对应的电压的直流电流升压，并转换为上述特定电压的直流电流的步骤。
17.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，将被转换的上述直流电流转换为交流电流的步骤通过调节被转换的上述直流电流的脉冲宽度，来将上述直流电流转换为交流电流。
18.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，对预先设定的频带的信号进行滤波的上述步骤包括使被转换的上述交流电流中低频部分通过，并阻隔被转换的上述交流电流中高频部分，来生成正弦波形态的交流电流的步骤。
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