CN105375044B - 用于诊断燃料电池堆的状态的装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了尽管燃料电池堆的电压变化较大，但能通过降低谐波分量的偏差从而以高准确性诊断燃料电池堆的状态的装置和方法。根据本发明，通过将燃料电池堆电压与移动平均电压之间的差值转换为频率来检测谐波分量，并且基于检测的谐波分量的大小来诊断燃料电池堆的状态。

Description

用于诊断燃料电池堆的状态的装置及其方法
相关申请的交叉引用
本申请基于在2014年8月29日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2014-0114444号并要求其优先权，其公开内容整体地并入本文以作参考。
技术领域
本发明涉及用于诊断燃料电池堆的状态的装置及其方法。尽管燃料电池堆的输出电压(DC电压)的变化较大，但可以用本发明的装置和方法以高准确性诊断燃料电池堆的状态。
背景技术
与产生热的燃烧不同，燃料电池通过在燃料电池堆中燃料的电化学反应将燃料的化学能转化为电能以产生电。燃料电池不仅能向小型电气/电子产品特别是便携式设备提供电力，还能提供工业用、家用和汽车用电力。
目前，具有最大功率密度的聚合物电解质膜燃料电池或质子交换膜燃料电池(PEMFC)已用作为汽车的动力供应来源，因此被最广泛地研究，因为这种燃料电池因工作温度低而具有快速的启动时间和快速的功率转换响应时间。
PEMFC包括膜电极组件(MEA)，其包含用于电化学反应的催化剂电极层以及催化剂电极层附着到其两侧且质子经其移动的固体聚合物电解质膜；均匀地分布反应气体并传递所产生的电能的气体扩散层(GDL)；衬垫和紧固机构(locking unit)，其用于维持气密性以及合适的反应气体和冷却水的紧密压力；以及反应气体和冷却水在其中移动的双极板。
当采用上述描述的单元电池组件来组装燃料电池堆时，MEA和GDL的组合放置在电池的最内部分，其中催化剂电极层(如阳极和阴极)涂覆在聚合物电解质膜的两侧用于使氢气和氧气反应的MEA和气体扩散层、衬垫按顺序地层压在放置阳极和阴极的外部部分上。
双极板位于气体扩散层的外侧，并且双极板提供反应气体(如燃料——氢气)和氧化剂(氧气或空气)。另外，在双极板内形成冷却水通过的流动路径。
然后，将多个单元电池堆叠，随后在最外部位组合集流体、绝缘板和用于支承堆叠的电池的端板，并通过在端板之间反复地堆叠和压紧单元电池来组装成燃料电池堆。
堆叠单元电池以获得充足的用于汽车电源的电势，在下文中，堆叠的单元电池称为电池堆。例如，一个单元电池产生的电势为约1.3V，将数个电池顺序地堆叠以产生驱动汽车的电力。
同时，在燃料电池车辆中，电池堆的部分输出电压用于诊断燃料电池的状态。
在现有技术中，已发展了用于诊断燃料电池状态的方法。在将交流电如正弦波施加到燃料电池堆后，测量燃料电池堆的输出电压，对测量的电压进行频率转换并检测谐波分量，然后基于检测的谐波分量，通过检测燃料电池堆的线性或非线性来诊断燃料电池堆的状态。
然而，因为通过利用燃料电池堆的输出电压来检测谐波分量，所以当输出电压的变化较大时，因电压变化引起的谐波分量混入，谐波分量的偏差可能增大，结果，谐波分量的检测准确性降低。
以上提供的作为本发明现有技术的描述仅用于帮助理解本发明的背景技术，不应将其理解为包含在本领域技术人员已知的现有技术内。
发明内容
本发明提供尽管燃料电池堆的电压变化较大，但能通过降低谐波分量的偏差从而以高准确性诊断燃料电池堆的状态的装置和方法。这样，可通过将燃料电池堆电压与移动平均电压之间的差值转换为频率来检测谐波分量，并且可基于检测的谐波分量的大小来诊断燃料电池堆的状态。
在示例性实施方式中，本发明的用于诊断燃料电池堆状态的装置可包括：交流电施加器件，其配置为对燃料电池堆的直流电施加交流电；电压测量器，其配置为测量燃料电池堆的电压；移动平均电压计算器，其配置为基于由电压测量器测得的电压来计算移动平均电压；电压差计算器，其配置为计算由电压测量器测量的燃料电池堆电压与由移动平均电压计算器计算的移动平均电压之间的差值；VF(电压-频率)转换器，其配置为将由电压差计算器计算的结果转换为频率；以及诊断器件，其配置为基于由VF转换器转换的频率中的谐波分量的大小，来诊断燃料电池堆的状态。
在示例性实施方式中，本发明的用于诊断燃料电池堆状态的方法可包括：通过交流电施加器件对燃料电池堆的直流电施加交流电；通过电压测量器测量燃料电池堆的电压；通过移动平均电压计算器基于测量的电压来计算移动平均电压；通过电压差计算器计算测量的燃料电池堆电压与计算的移动平均电压之间的差值；通过VF(电压-频率)转换器将计算的电压差转换为频率；以及通过诊断器件，基于转换频率中的谐波分量的大小，诊断燃料电池堆的状态。
进一步提供的是燃料电池系统，其采用或包括如上描述的本发明的装置以高准确性诊断燃料电池堆的状态。本发明进一步提供车辆，其采用或包括如上描述的本发明的装置以高准确性诊断燃料电池堆的状态。另外，本发明提供包括所述装置的燃料电池系统或车辆，该装置采用如上描述的方法以高准确性诊断燃料电池堆的状态。
根据本发明的各示例性实施方式，尽管燃料电池堆的电压变化较大，但可通过降低谐波分量的偏差从而以高准确性诊断燃料电池堆的状态。例如，可通过将燃料电池堆的电压与移动平均电压之间的差值转换为频率来检测谐波分量，并可基于检测的谐波分量的大小来诊断燃料电池堆的状态。
本发明的其他方面在下文中公开。
附图说明
根据以下的详细描述并结合附图，本发明的上述和其他目的、特征和优点将更加明显，其中：
图1示出了根据本发明实施方式的用于诊断示例性燃料电池堆的状态的示例性装置。
图2示出了显示根据本发明示例性实施方式的用于诊断示例性燃料电池堆的状态的示例性装置的表现的示例图。
图3示出了当燃料电池堆的输出电压变化较大时示例性燃料电池的示例性电池堆电压以及根据本发明的示例性实施方式从示例性电池堆电压中减去移动平均电压的示例性结果。
图4示出了当示例性燃料电池堆的输出电压变化较小时示例性燃料电池的示例性电池堆电压以及根据本发明的示例性实施方式从示例性电池堆电压中减去移动平均电压的示例性结果。
图5示出了根据本发明示例性实施方式的用于诊断示例性燃料电池堆的状态的示例性方法。
附图中各元件的符号
10：燃料电池堆
20：交流电施加器件
30：负载
40：电压测量器
50：移动平均电压计算器
60：电压差计算器
70：VF转换器
80：诊断器件
具体实施方式
本文使用的术语仅仅是为了说明具体实施方式，而不是意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个、一种、该(a、an、the)”也意在包括复数形式，除非上下文中另外清楚指明。还应当理解的是，在说明书中使用的术语“包括(comprises和/或comprising)”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任何和所有组合。
除非具体说明或从上下文明显得到，否则本文所用的术语“约”理解为在本领域的正常容许范围内，例如在均值的2个标准差范围内。“约”可以理解为在所述数值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非另外从上下文清楚得到，本文提供的所有数值都由术语“约”修饰。
尽管示例性实施方式被描述为利用多个单元来进行示例性处理，但应当理解示例性处理也可以由一个或多个模块完成。此外，应当理解，术语控制器/控制单元指的是包括存储器和处理器的硬件设备。存储器配置为存储模块，并且处理器被具体配置为执行所述模块以进行以下进一步描述的一个或多个处理。
此外，本发明的控制逻辑可以实现为包含可由处理器、控制器等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的实例包括但不限于，ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、快闪驱动器、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质还可以分布在连接网络的计算机系统中，以便，例如通过远程信息处理(telematics)服务器或控制器局域网(CAN)以分布式模式存储和执行计算机可读介质。
通过如下参考附图的详细描述，前述目的、特征和优点将更加明显，因此本领域技术人员可以容易地使本发明的技术精神具体化。此外，在本发明的以下描述中，如果确定对于与本发明相关的现有技术的详细描述不必要地模糊了本发明的要旨，则将省略其详细描述。在下文中，将参考附图详细描述本发明的优选实施方式。
图1示出了根据本发明示例性实施方式的用于诊断示例性燃料电池堆的状态的示例性装置。
如图1所示，用于诊断燃料电池堆的状态的装置可包括：燃料电池堆10、交流电施加器件20、负载30、电压测量器40、移动平均电压计算器50、电压差计算器60、VF(电压-频率)转换器70和诊断器件80。燃料电池堆10、交流电施加器件20、负载30、电压测量器40、移动平均电压计算器50、电压差计算器60、VF转换器70和诊断器件80可由控制器操作。
燃料电池堆10提供用于驱动车辆的动力。
交流电施加器件20可配置为对供应到负载30的直流电Istack施加交流电Iac，从而交流电压的分量可出现在燃料电池堆10的输出电压上。当交流电被施加到供应到负载30的直流电时，交流电压的分量可出现在燃料电池堆10的输出电压上。
本文中使用的电流Iload表示为Iload＝Istack+Iac。这样，直流电Istack和交流电Iac可叠加并供应到负载30。
电压测量器40可测量燃料电池堆的输出电压。
移动平均电压计算器50可基于电压测量器40测量的电压，计算移动平均电压。移动平均电压计算器50可通过采用下列[公式1]来计算一个交流周期单位的移动平均电压。
[公式1]
本文中使用的N是指在1周期内的采样数(number of the sample)，n是指移动平均电压的阶次(order)。
电压差计算器60可配置为当由电压测量器40测量出燃料电池堆10的电压Vstack并且由移动平均电压计算器50计算出移动平均电压VMov时，计算表示为Vstack-VMov的差值。
VF转换器(电压-频率转换器)70可配置为基于FFT(快速-傅里叶变换)转换，将电压差计算器60计算的Vstack-VMov结果转换为频率。
诊断器件80可配置为根据由VF转换器70转换的频率中的谐波分量大小，诊断燃料电池堆10的状态。
换言之，诊断器件80可配置为当谐波分量的大小大于第一阈值时，确定燃料电池堆10的状态为异常状态。诊断器件80可配置为当谐波分量的大小等于或小于第二阈值时，确定燃料电池堆10的状态为正常状态。具体地，第一阈值可大于第二阈值，或第一阈值可以等于第二阈值。
通常，在正常状态运行中燃料电池堆10电压的电压/电流特性为线性的，而在异常状态运行中燃料电池堆10电压的电压/电流特性为非线性的。因此，如果测量到燃料电池堆10电压的非线性，则可确定燃料电池堆10的状态为异常状态。
另外，当对负载电流追加地施加正弦波电流时，正常燃料电池堆10的电压可在线性区中改变，异常燃料电池堆10的电压可在非线性区中改变。
此外，非线性在频率分析中可表现为谐波分量，正常燃料电池堆10的电压显示出谐波分量的大小较小，而异常燃料电池堆10的电压可表现出谐波的大小较大。
图2示出根据本发明示例性实施方式的用于诊断燃料电池堆的状态的示例性装置的表现。
在图2中，‘210’是指燃料电池堆10的电压；‘220’是指通过利用燃料电池堆10的电压检测到的谐波分量的大小；‘230’是指通过利用由电压差计算器60计算的结果Vstack-VMov检测到的谐波分量的大小。另外，空气SR(化学计量比)3可指代燃料电池堆10正常运行，而空气SR 1.5可指代燃料电池堆10异常运行。
如图2所示，"220"可表示谐波分量的大小偏差较大，'230'可表示谐波分量的大小较小。
图3示出了燃料电池堆10的示例性电压变化较大时在谐波分量的大小显示为较大值的时间点221处的情形。
图4示出了燃料电池堆10的示例性电压变化较小时在谐波分量的大小显示为较小值的时间点222处的情形。
因此，通过图2至图4，采用燃料电池堆10的电压的传统方法会灵敏地对燃料电池堆10的电压变化作出反应，即，谐波分量大小的偏差较大。相比之下，根据本发明采用由电压差计算器60计算的结果Vstack-VMov的方法不会敏感地受电压变化影响，这样谐波分量大小的偏差较小。
图5为根据本发明示例性实施方式的用于诊断示例性燃料电池堆的状态的示例性方法。
交流电施加器件20可配置为对燃料电池堆10的直流电施加交流电(501)。
随后，电压测量器40可配置为测量燃料电池堆10的电压(502)。
然后，移动平均电压计算器50可配置为基于由电压测量器40测量的电压来计算移动平均电压(503)。
电压差计算器60可配置为计算由电压测量器40测量的燃料电池堆电压与由移动平均电压计算器50计算的移动平均电压之间的差值(下文中为电压差)(504)。
然后，VF(电压-频率)转换器70可配置为将由电压差计算器60计算的电压差转换为频率(505)。
诊断器件80可配置为根据由VF转换器70转换的频率中的谐波分量的大小，来诊断燃料电池堆10的状态(506)。
另外，如上描述，本发明的方法可实现为计算机程序。并且，代码和组成程序的代码段可由本领域计算机程序员容易地推断。此外，创建的程序存储在计算机可读中的记录介质(信息存储介质)上，其由计算机读取并执行，从而实现本发明的方法。并且，记录介质包括所有类型的可由计算机读取的记录介质。
如上描述，尽管通过具体的结构和附图对本发明加以阐明，但本发明的技术构思不局限于前述的实施方式，并且在本发明技术构思和所附权利要求的等效形式内，本领域技术人员可做各种修改和变化。

Claims (8)

1.一种用于诊断燃料电池堆的状态的装置，其包括：
交流电施加器件，其配置为对所述燃料电池堆的直流电施加交流电；
电压测量器，其配置为测量所述燃料电池堆的电压；
移动平均电压计算器，其配置为基于由所述电压测量器测量的电压来计算移动平均电压；
电压差计算器，其配置为计算所测量的所述燃料电池堆的电压与所计算的移动平均电压之间的差值；
电压-频率转换器，其配置为将所计算的电压差转换为频率；以及
诊断器件，其配置为基于转换频率中的谐波分量的大小来诊断所述燃料电池堆的状态。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述诊断器件配置为当谐波分量的大小大于第一阈值时，确定所述燃料电池堆的状态为异常状态，并且当谐波分量的大小等于或小于第二阈值时，确定所述燃料电池堆的状态为正常状态。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述第一阈值的值大于所述第二阈值。
4.一种用于诊断燃料电池堆的状态的方法，其包括以下步骤：
通过控制器对所述燃料电池堆的直流电施加交流电；
通过所述控制器测量所述燃料电池堆的电压；
通过所述控制器基于测量的电压来计算移动平均电压；
通过所述控制器计算所测量的所述燃料电池堆的电压与所计算的移动平均电压之间的差值；
通过所述控制器为将所计算的电压差转换为频率；以及
通过所述控制器基于转换频率中的谐波分量的大小来诊断所述燃料电池堆的状态。
5.根据权利要求4所述的方法，其还包括以下步骤：
当谐波分量的大小大于第一阈值时，通过所述控制器将所述燃料电池堆的状态确定为异常状态；并且
当谐波分量的大小等于或小于第二阈值时，通过所述控制器将所述燃料电池堆的状态确定为正常状态。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一阈值的值大于所述第二阈值。
7.一种燃料电池系统，其包括权利要求1所述的用于诊断燃料电池堆的状态的装置。
8.一种车辆，其包括权利要求7所述的燃料电池系统以诊断燃料电池堆的状态。
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