CN110137531B - 氢燃料电池及其供电时间估计系统和方法 - Google Patents

氢燃料电池及其供电时间估计系统和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110137531B
CN110137531B CN201810434220.3A CN201810434220A CN110137531B CN 110137531 B CN110137531 B CN 110137531B CN 201810434220 A CN201810434220 A CN 201810434220A CN 110137531 B CN110137531 B CN 110137531B
Authority
CN
China
Prior art keywords
hydrogen
fuel cell
storage device
hydrogen fuel
hydrogen storage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810434220.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110137531A (zh
Inventor
左彬
熊锐
李骁
陈玉林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan Troowin Power System Technology Co ltd
Original Assignee
Wuhan Troowin Power System Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan Troowin Power System Technology Co ltd filed Critical Wuhan Troowin Power System Technology Co ltd
Publication of CN110137531A publication Critical patent/CN110137531A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110137531B publication Critical patent/CN110137531B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04104—Regulation of differential pressures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明提供一种新的用于估计或预估氢燃料电池供电时间的系统和方法，其中本发明氢燃料电池供电时间估计系统能够实时监控氢燃料电池的供电时间，其尤其适用于无人机氢燃料电池。

Description

氢燃料电池及其供电时间估计系统和方法
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种氢燃料电池供电时间估计系统，以估计氢燃料电池的供电时间或续航时间。本发明进一步涉及一种氢燃料电池供电时间估计方法。
背景技术
在燃料电池(如氢燃料电池)被用于供电时，准确估计其供电时间具有重要意义。例如，在氢燃料电池用于无人机供电和飞行动力时，氢燃料电池的供电时间(或续航时间)需要被提前预知或准确估计，以合理规划飞行航线和作为返航和降落时间的参考依据。如果氢燃料电池的实际供电时间小于估计供电时间，则可能导致无人机在飞行过程中即耗尽燃料和无人机飞行事故。然而，如果氢燃料电池的实际供电时间远大于估计供电时间，则可能导致无人机的提前降落和无法完成无人机飞行目的。因此，当无人机采用氢燃料电池作为动力源时，准确估计其供电时间对无人机的安全飞行，甚至对燃料电池供电系统本身的安全运行具有重要意义。
现有的氢燃料电池(或氢燃料电池供电系统)一般包括用于存储氢气的储氢装置，如气瓶等。该储氢装置的容量、内部氢气压力、环境温度等因素决定了储氢装置当前氢气储量的大小。现有氢燃料电池中，多通过检测储气装置内部氢气压力，结合经验估算氢燃料电池的正常供电时间(或剩余运行时间)。然而，无人机高空飞行时，其所在环境往往存在较大噪音。在利用传感器对储氢装置中的氢气压力进行检测时，环境噪音对氢气压力的检测结果带来很大干扰，往往导致氢气压力检测结果出现很大波动，其有可能导致无人机因错误认为燃料即将耗尽而降落，或因错误以为燃料充足而在应该降落时，继续飞行，从而导致飞行事故的发生。此外，现有剩余氢气压力估值法未考虑环境温度的变化对该储氢装置中剩余氢气量检测结果的影响。该储氢装置在充气和飞行过程中的环境温度存在差别，且氢气在释放过程中也会带走热量，会导致储氢装置的温度逐渐变低。最后，现有剩余氢气压力估值法还未考虑氢燃料电池对氢气的利用率。实际上，当储氢装置内氢气压力过低时，燃料电池将很难利用低压力(或压强)氢气。因此，现有依据当前储氢装置内部剩余氢气压力来估计(估计)氢燃料电池的供电时间的方法误差较大，不适用氢燃料电池无人机等对供电时间要求严苛的应用。
如图1所示为现有的一种估算燃料电池系统氢气瓶剩余氢气压力的装置及方法。该估算装置包括氢气瓶1P、燃料电池(堆)6P和燃料电池控制器2P，其中氢气瓶1P出口设有气压表(或压力表)4P，氢气瓶1P出口通过管路与燃料电池堆6P连接；燃料电池堆6P通过装有电流传感器7P的电流传输线实时输出电流；燃料电池控制器2P内存储氢气瓶1P满瓶状态下的压力值，燃料电池控制器2P还控制燃料电池堆6P的启闭，且采集电流传感器7P测得的电流值并对其进行处理计算及存储；发电机8P被连接于电流传感器7P，减压阀5P设置于压力表4P和燃料电池堆6P之间，温度传感器9P以及复位按钮3P被连接于燃料电池控制器2P。在氢燃料电池系统用于供电时，首先，向储氢装置(氢气瓶1P)内充气至其压力达到设定范围，求得氢气初始摩尔值；在燃料电池启动和正常运行后，测量其实时输出电流值，并计算得到当前运行时间内输出的总电量，从而计算消耗的氢气摩尔量，算得氢气瓶1P的剩余压力。然而，现有这种氢燃料电池供电时间估计系统(或燃料电池系统的氢气瓶剩余氢气压力估算装置)具有诸多缺陷：首先，现有氢燃料电池供电时间估计系统需要准确测量储氢装置的气压或压力，并将测量结果传输至氢燃料电池的主控制器的数据处理器，以根据储氢装置内的气压计算储氢装置内的氢气量。然而，现有绝大部分，甚至是所有氢燃料电池供电时间估计系统，均未考虑环境噪音对测量结果的影响。其次，现有氢燃料电池供电时间估计系统未考虑氢燃料电池堆对储氢装置中剩余氢气的利用率。也未考虑不同气压下，氢气的压缩率(或压缩因子)变化。最后，现有氢燃料电池供电时间估计系统未考虑燃料电池的储氢装置的容量变化。在实际应用中，氢燃料电池的储氢装置可能会被直接更换，如直接更换完成灌装的储氢装置，从而导致氢燃料电池的储氢装置的容量发生变化。此时，如果仍需估计氢燃料电池的供电时间，则需要更改数据处理器中的储氢装置容量值。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种氢燃料电池，其中该氢燃料电池的供电时间估计系统能够更准确地检测该氢燃料电池的储氢装置内的氢燃料剩余量和氢燃料的消耗速率，从而使该供电时间估计系统能够更准确地估计该氢燃料电池的供电时间或续航时间。
本发明的另一目的在于提供一种氢燃料电池，其中该氢燃料电池的供电时间估计系统能够更准确地和实时地检测该氢燃料电池的输出电流值(或输出功率)，从而使该供电时间估计系统通过实时输出电流值，计算得到氢燃料消耗速率更准确和更接近氢燃料电池的实际消耗速率。在一些实施例中，该氢燃料电池的供电时间估计系统通过霍尔电流传感器检测该氢燃料电池堆的输出电流。
本发明的另一目的在于提供一种氢燃料电池，其中该氢燃料电池进一步包括滤波器，其能够采用卡尔曼滤波方法和/或无限脉冲响应滤波方法以减弱环境噪音，如电流噪声等对储氢装置内的气压测量结果和/或输出电流值测量结果的干扰。
本发明的主要目的在于提供一种氢燃料电池，其中该氢燃料电池的供电时间估计系统在估计该氢燃料电池的供电时间或续航时间时，将燃料电池堆对储氢装置中剩余氢气的利用率考虑在内，以更准确地估计该氢燃料电池的供电时间或续航时间。
本发明的另一目的在于提供一种氢燃料电池，其中该氢燃料电池进一步包括容量值输入界面，如与燃料电池的该数据处理器(或上位机)可通电地相连接的触控面板(或显示器、鼠标和/或键盘)，以使使用者能够通过该输入界面将储氢装置的容量值直接输入到该数据处理器，并被储存。换句话说，该氢燃料电池进一步包括一个存储模块(或存储器)，以用于存储该储氢装置的该容量值。可以理解，该存储模块可以是具有存储功能的数据处理器，也可以是额外具有存储功能的存储器。优选地，该容量值被储存在电可擦可编程读写存储器(EEPROM)，其中该电可擦可编程读写存储器与该数据处理器可通电地相连接，以在该氢燃料电池被重置(或重新启动)时，该氢燃料电池能够自该电可擦可编程读写存储器读取或获得被储存在电可擦可编程读写存储器中的容量值。更优选地，该被储存在电可擦可编程读写存储器中的容量值可被通过输入界面输入的新的容量值覆盖。可以理解的是，该燃料电池被重置(或重新启动)时，依重置命令和输入的新的容量值，储存在电可擦可编程读写存储器的容量值可被重新配置(或设置)，其中该重置命令可来自输入界面或该上位机。
本发明的另一目的在于提供一种氢燃料电池，其中该氢燃料电池进一步包括用于实时检测储氢装置内氢温度的温度传感器，以更准确地计算得到储氢装置的剩余氢气摩尔量。
本发明的另一目的在于提供一种氢燃料电池，其进一步包括数据传输模块，以将该数据处理器计算得到的氢燃料电池估计供电时间实时传输给氢燃料电池的主控制器或上位机。
本发明的另一目的在于提供一种氢燃料电池，其中该氢燃料电池进一步包括用于检测(或获取)储氢装置容量的容量检测装置，其中该容量检测装置能自动检测或获取氢燃料电池的储氢装置的容量(值)，以使该供电时间估计系统能够更准确地估计该氢燃料电池的供电时间或续航时间。
本发明的另一目的在于提供一种氢燃料电池，其中该氢燃料电池的容量检测装置包括一个询问器，其中该询问器被设置能够在氢燃料电池被启动或氢燃料电池运行期间，通过一个预设电磁信号，询问该氢燃料电池的储氢装置的容量(值)。进一步地，该询问器被设置能够接收与该询问相应的应答，并将其传输给该燃料电池的数据处理器。优选地，该应答通过电子通讯网络被提供，且其携带该储氢装置的容量值。更优选地，该供电时间估计系统的容量检测装置进一步具有一个应答器，以应答该询问器的询问。
本发明的另一目的在于提供一种氢燃料电池，其中该氢燃料电池的容量检测装置包括一个图形码阅读器(或扫码器)和一个图形码解码器，其中该图形码阅读器被设置能够读取(或扫描)被设置在该储氢装置的图形码，该图形解码器被设置能够对该图形码阅读器的读取结果解码，从而获得被编码在该图形码的储氢装置的容量值。
本发明的另一目的在于提供一种氢燃料电池供电时间估计系统，其中该氢燃料电池的供电时间估计系统能够更准确地检测该氢燃料电池的储氢装置内的氢燃料剩余量和氢燃料的消耗速率，从而使该供电时间估计系统能够更准确地估计该氢燃料电池的供电时间或续航时间。
本发明的另一目的在于提供一种氢燃料电池供电时间估计系统，进一步包括用于检测(或获取)储氢装置容量的容量检测装置，其中该容量检测装置能自动检测或获取氢燃料电池的储氢装置的容量(值)，以使该供电时间估计系统能够更准确地估计该氢燃料电池的供电时间或续航时间。优选地，该容量检测装置包括一个询问器和一个应答器。可选地，该容量检测装置包括一个图形码阅读器(或扫码器)和一个图形码解码器。
本发明的另一目的在于提供一种氢燃料电池，其中该氢燃料电池进一步包括电子通讯模块，其中该电子通讯模块(或数据传输模块)与氢燃料电池的主控制器可通电地相连接，其中该通讯模块能够通过一个电子通讯网络自一个信息终端接收该储氢装置的容量值。优选地，该电子通讯模块进一步被设置能够将该主控制器计算得到的氢燃料电池供电时间实时传输给上位机。
为了实现本发明上述至少一个目的，本发明提供了一种氢燃料电池，其包括：
氢燃料电池堆；
适用于向氢燃料电池堆供氢的储氢装置；
用于实时检测该氢燃料电池堆的输出电流的电流传感器；
用于实时检测该储氢装置内温度的温度传感器；和
数据处理器，其中该数据处理器分别与该压力传感器、该温度传感器和该电流传感器可通电地相连接，其中该数据处理器被设置能够根据下述公式：
计算和得到该氢燃料电池的供电时间t，其中P为该储氢装置内的当前气压，V为该储氢装置的容量，P0为该储氢装置内的氢能够被该氢燃料电池利用的最小气压，I为该氢燃料电池堆的实时输出电流，c为该氢燃料电池对氢的转化率，T1为氢气充气完成时，该储氢装置内温度，T为该储氢装置内当前温度，R为气体常数，Z为气压为P时，氢气压缩因子，Z0为气压为P0时，氢气压缩因子，时间t的单位为秒。本领域技术人员可以理解，当环境温度变化不大，导致储氢装置内的温度也变化不大时，温度T可视为与温度T1相同。此外，如果不要求精确估计氢燃料电池的供电时间t，则可视氢气为理想气体，此时Z和Z0的值为1。考虑到氢燃料电池的储氢装置内温度在很大概率，尤其是储氢装置的材料为导热性能良好的材料制成时，与其所在环境温度差别不大。因此，在另一些实施例，本发明氢燃料电池的温度传感器被设置在该储氢装置所在空间环境中，而不是被设置在该储氢装置的内部腔室。该温度传感器被设置在该储氢装置所在环境，例如，被设置在该储氢装置的外表面，能够大幅度降低该储氢装置的制造难度和成本。较佳地，该温度传感器为温度-电阻传感。可选地，该温度传感器也可以是其它类型温度传感器。
根据本发明较佳实施例，本发明进一步提供一种氢燃料电池供电时间估计系统，其包括：
用于实时检测该氢燃料电池堆的输出电流的电流传感器；
用于实时检测该储氢装置内温度的温度传感器；和
数据处理器，其中该数据处理器分别与该压力传感器、该温度传感器和该电流传感器可通电地相连接，其中该数据处理器被设置能够根据下述公式：
计算和得到该氢燃料电池的供电时间t，其中P为该储氢装置内的当前气压，V为该储氢装置的容量，P0为该储氢装置内的氢能够被该氢燃料电池利用的最小气压，I为该氢燃料电池堆的实时输出电流，c为该氢燃料电池对氢的转化率，T1为氢气充气完成时，该储氢装置内温度，T为该储氢装置内当前温度，R为气体常数，Z为气压为P时，氢气压缩因子，Z0为气压为P0时，氢气压缩因子，时间t的单位为秒。
在另一些实施例，本发明氢燃料电池进一步包括至少一个上位机，其中该上位机通过有线，或无线连接的方式，连接于该数据处理器，该数据处理器直接地，或通过数据传输模块，将该氢燃料电池的供电时间发送或传输给该上位机，该上位机通过显示屏显示该氢燃料电池的供电时间。
在一些实施例，本发明氢燃料电池进一步包括至少一个噪声传感器，其中该噪声传感器与该氢燃料电池的数据处理器可通电地相连接，其中该数据处理器被设置能够根据该噪声传感器检测到的环境噪音(声)，对该压力传感器检测到的压力数据进行滤波处理，从而减小或防止环境噪声对压力检测结果的干扰。
在另一些实施例，该氢燃料电池进一步包括至少一个与该数据处理器可通电地相连接的第一数据传输模块，和至少一个与该上位机可通电地相连接的第二数据传输模块，其中该第一数据传输模块被设置用于将该数据处理器估计或计算得到的该氢燃料电池的供电时间数据发送或传输给该第二数据传输模块，该第二数据传输模块将该供电时间数据发送或传输给该上位机。可选地，该数据处理器和该上位机之间的数据传输也可以通过有线传输的方式，如通过数据线或连接总线、数据接收端口等物理连接方式实现该数据处理器和该上位机之间的数据传输。值得注意的是，该数据处理器被设置能够根据该储氢装置的氢气气压和该储氢装置的环境温度(或储氢装置的温度)计算该氢燃料电池的实时氢气量(摩尔数)的减少速率。
在另一些实施例，本发明氢燃料电池进一步包括第一滤波器，以对该压力传感器检测到的储氢装置的氢气气压数据和该温度传感器检测到的储氢装置内的温度(或环境温度)数据进行优化，以消除环境干扰，如环境噪音、电流传输噪声的干扰。值得注意的是，在储氢装置内的氢气量较少时，消除环境或背景干扰，对精确检测储氢装置中的氢气气压非常重要。在储氢装置中的氢气较少时，环境或背景干扰常导致很大的误差。优选地，该第一滤波器为卡尔曼滤波器或递归滤波器。
在另一些实施例，本发明氢燃料电池进一步包括至少一个第二滤波器，其中该第二滤波器为限幅滤波器，其中该限幅滤波器被设置能够去除因随机性错误、燃料电池起始运行或未接入负载等情况下，检测到的异常或明显不正常的信号或计算得到的异常或明显不正常的氢燃料电池持续运行时间。例如，在未接入负载时，燃料电池输出功率极小或甚至为零，数据处理器计算得到的氢燃料电池持续运行时间极大，甚至是无穷大。或者，因外界干扰等原因，数据处理器自压力传感器接收到储氢装置内的气压值低于燃料电池能够利用氢的最小气压P0，则此时数据处理器计算得到的氢燃料电池持续运行时间为零，甚至是负值，其与前一个预设时间周期检测到的结果相比，差异巨大。该限幅滤波器被设置能够去除这些明显不正常的氢燃料电池持续运行时间，以免上位机对氢燃料电池的运行状态作出误判。因此，该限幅滤波器被设置在该数据处理器和该第一滤波器之间。
在一些实施例，本发明氢燃料电池进一步包括模/数转换模块，以将各个传感器，如压力传感器、温度传感器检测得到的模拟信号转换成数字信号。可以理解的是，该模/数转换模块被设置在该压力传感器和该第一滤波器之间。可选地，该第一滤波器被设置在该压力传感器和该模/数转换模块之间。当该第一滤波器被设置在该压力传感器和该模/数转换模块之间时，第一滤波器直接对该压力传感器检测得到的模拟信号进行处理，而当该模/数转换模块被设置在该压力传感器和该第一滤波器之间时，第一滤波器对经该模/数转换模块转换过的该压力传感器检测得到的储氢装置内的气压数据数字信号进行处理。
在一些实施例中，本发明氢燃料电池进一步包括至少一个减压阀，其中该减压阀具有一个进气通路和一个出气通路，其中该减压阀的进气通路与该储氢装置的出气口相连通。优选地，该压力传感器被设置在该减压阀的进气通路，从而使得该压力传感器检测到的氢气压与该储氢装置内的压强一致。换句话说，该压力传感器并不一定被设置在该储氢装置的内部，也可被设置在该减压阀的进气通路。更优选地，该压力传感器为压电传感器，能够根据该储氢装置内的氢气压强，生成相应的电信号，并被传输至该氢燃料电池的数据处理器，以便该减压阀的控制模块控制器减压元件对自该储氢装置输出的氢气进行降压处理，以使其满足氢燃料电池堆的需要。
根据本发明较佳实施例，本发明进一步提供一种用于估计氢燃料电池(持续)供电时间的方法，包括以下步骤：
(a)实时检测该氢燃料电池的储氢装置内的气压P、和该氢燃料电池的氢燃料电池堆的输出电流I和该氢燃料电池的储氢装置内温度T；和
(b)根据下述公式：
计算得到该氢燃料电池的供电时间t，其中V为该氢燃料电池的储氢装置的容量，P0为该氢燃料电池的储氢装置内的氢能够被该氢燃料电池利用的最小气压，c为该氢燃料电池对氢的转化率，T1为氢气充气完成时，该氢燃料电池的储氢装置内温度，R为气体常数，Z为气压为P时，氢气压缩因子，Z0为气压为P0时，氢气压缩因子，时间t的单位为秒。
根据本发明较佳实施例，本发明用于估计氢燃料电池供电时间的方法进一步包括下述步骤：
(c)根据下述公式：
对检测到的该氢燃料电池的储氢装置内气压信号进行滤波处理，其中F为法拉第常数，C为该氢燃料电池的氢燃料电池堆的单电池数目，δI为该氢燃料电池的氢燃料电池堆的输出电流的系统噪声，δP为检测该氢燃料电池的储氢装置内压力数据时的测量噪声，Ts为滤波循环周期，λ为该氢燃料电池的氢燃料电池堆的氢气泄漏速度，其中该步骤(c)位于该步骤(a)之后，该步骤(b)之前。
根据本发明较佳实施例，本发明用于估计氢燃料电池供电时间的方法进一步包括下述步骤：
(d1)对检测到该氢燃料电池的储氢装置内的气压P数据、该氢燃料电池的氢燃料电池堆的输出电流I数据和/或该氢燃料电池的储氢装置内温度T数据进行限幅处理，以去除异常压力信号、异常电流信号和/或异常温度信号，其中该步骤(d1)位于该步骤(a)之后，该步骤(b)之前。
根据本发明较佳实施例，本发明用于估计氢燃料电池供电时间的方法进一步包括下述步骤：
(d2)对计算得到的该氢燃料电池的供电时间数据进行处理，以去除异常供电时间信号，其中该步骤(d2)位于该步骤(a)之后，该步骤(b)之前。
根据本发明较佳实施例，本发明用于估计氢燃料电池供电时间的方法进一步包括下述步骤：
(e)检测该燃料电池的储氢装置的容量V，并存储该容量值，其中步骤(e)位于该步骤(a)之前。
根据本发明的另一方面，还提供了一种估计(或检测)氢燃料电池持续供电时间的方法，包括以下步骤：
(100)实时获取每个循环周期的当前时间数据、氢燃料电池堆输出电流数据、储氢装置氢气压力数据以及环境温度数据；
(200)执行卡尔曼滤波处理；
(300)生成卡尔曼滤波输出结果；
(400)获得储氢装置内部氢气摩尔量；
(500)获取负载电流数据；
(600)处理负载电流数据并获得氢气摩尔量减少速率；
(700)通过IIR数字滤波器滤除高频噪声；以及
(800)生成氢燃料电池堆的持续供电时间。
在一些实施例中，该步骤(100)还包括步骤：获取已经执行的循环周期数据。
在一些实施例中，该步骤(200)之前还包括以下步骤：获取并处理法拉第常数数据、氢燃料电池堆的单电池片数数据、氢燃料电池输出电流的系统噪声数据、氢气压缩率数据、储氢装置的容量数据、储氢装置氢气压力采集数据中存在的测量噪声数据以及氢气泄漏的速度数据。
在一些实施例中，该步骤(200)还包括以下步骤：
(210)执行变量数据初始化操作。
在一些实施例中，该步骤(210)还包括以下步骤：
(211)获取存储单元中存储的出氢装置容量值数据；以及
(212)提供初始数据以初始化储氢装置氢气压力数据、氢燃料电池堆输出电流数据、环境温度数据、氢气摩尔量减少速率、氢燃料电池初始运行时间数据、氢燃料电池堆输出电流的系统噪声的方差数据以及储氢装置氢气压力采集数据中存在的测量噪声的方差数据、当前循环周期的最优估算值数据以及当前循环周期的最优估算值的协方差数据。
在一些实施例中，至少一初始化单元，如数据处理器或控制器，以提供数据零给氢燃料电池堆输出电流数据、环境温度数据、氢气摩尔量减少速率以及氢燃料电池初始运行时间数据。
在一些实施例中，至少一初始化单元提供常数数据给氢燃料电池堆输出电流的系统噪声的方差数据以及储氢装置氢气压力采集数据中存在的测量噪声的方差数据。
在一些实施例中，至少一初始化单元提供常数数据给当前循环周期的最优估算值。
在一些实施例中，至少一初始化单元提供给当前循环周期的最优估算值的协方差在数值上为1。
在一些实施例中，该步骤(200)还包括步骤(220)：在每个循环周期内根据当前输入值更新中间变量数据和输出值数据。
在一些实施例中，该步骤(220)包括以下步骤：
(221)获取当前循环周期的储氢装置氢气压力数据、氢燃料电池堆输出电流数据以及环境温度值数据，生成在当前循环周期的根据上一次循环周期的最优估计值而获得的储氢装置氢气摩尔量的预测值数据；
(222)更新当前循环周期中储氢装置氢气摩尔量的预测值对应的协方差数据；
(223)生成卡尔曼增益值数据；
(224)生成当前时刻的储氢装置内部氢气摩尔量的最优估算值；以及
(225)更新当前循环周期的储氢装置内部氢气摩尔量的最优估算值对应的协方差数据，
其中，在每个循环周期内，循环执行该步骤(221)至该步骤(225)，从而对相应的中间变量数据进行更新步骤，最后输出储氢装置氢气摩尔量的最优估计值数据。
在一些实施例中，该步骤(222)还包括步骤：获取氢燃料电池堆输出电流的系统噪声的方差数据，以处理并生成当前循环周期中储氢装置氢气摩尔量的预测值对应的协方差数据。
在一些实施例中，该步骤(223)还包括步骤：获取并处理摩尔气体常数数据、储氢装置的容量数据以及更新后的当前循环周期中储氢装置氢气摩尔量的预测值对应的协方差数据。
在一些实施例中，该步骤(224)还包括步骤：获取并处理上一次循环周期的最优估计值数据、卡尔曼增益值数据、当前储氢装置氢气压力数据、氢气压缩率数据、摩尔气体常数数据以及储氢装置的容量数据。
在一些实施例中，该步骤(225)还包括步骤：获取并处理卡尔曼增益值数据、摩尔气体常数数据、储氢装置的容量数据以及当前循环周期中储氢装置氢气摩尔量的预测值对应的协方差数据。
在一些实施例中，该氢燃料电池供电时间预估方法还包括步骤(900)：氢燃料电池主控制器执行出厂设置，存储单元存储和重新配置储氢装置的容量参数数据。
在一些实施例中，该氢燃料电池供电时间预估方法还包括以下步骤：
(911)氢燃料电池主控制器的至少一容量值数据配置单元检测到储氢装置被更换时，获取更换后的储氢装置的容量值数据；
(912)氢燃料电池主控制器的该容量值数据配置单元存储新的储氢装置的容量值数据；
(913)该容量值数据配置单元将新的储氢装置的容量值数据发送至该存储单元，覆盖该存储单元中原来的储氢装置的容量值数据；
(914)该容量值数据配置单元比较自身存储的新的储氢装置20的容量值数据以及该存储单元中的储氢装置的容量值数据；
(915)如果该容量值数据配置单元的数据比较结果为相同时，向上位机发送配置成功信息，上位机的该交互单元显示“容量值修改成功”；以及
(916)如果该容量值数据配置单元的数据比较结果为不同时，向上位机发送配置失败信息，该上位机的该交互单元显示“容量值修改失败”。
通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。
本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。
附图说明
图1显示的是现有燃料电池的结构，其中该燃料电池能够估计其供电时间。
图2是根据本发明较佳实施例的氢燃料电池的结构示意图。
图3是上述根据本发明较佳实施例的氢燃料电池供电时间估计系统的结构示意图。
图4是上述根据本发明较佳实施例的氢燃料电池的容量检测装置的结构示意图。
图5显示的是上述根据本发明较佳实施例的氢燃料电池的容量检测装置的应答器和询问器之间的通信模式。
图6显示的是上述根据本发明较佳实施例的氢燃料电池的容量检测装置的应答器和询问器之间的另一种通信模式。
图7显示的是上述根据本发明较佳实施例的氢燃料电池的容量检测装置的一种可选实施。
图8是上述根据本发明较佳实施例的用于估计氢燃料电池供电时间的方法的流程图。
图9是上述根据本发明较佳实施例的用于检测储氢装置容量的检测方法流程图。
图10是上述根据本发明较佳实施例的用于检测储氢装置容量的另一检测方法流程图。
图11是上述根据本发明较佳实施例的氢燃料电池的第一滤波器对检测数据进行滤波处理的流程示意图。
图12是上述根据本发明较佳实施例的氢燃料电池的第一滤波器对检测数据进行滤波处理的流程示意图。
图13显示的是氢燃料电池的实际供电时间和估计供电时间的对比波形图。
图14显示的是滤波器对氢气摩尔量检测结果和压力传感器测量检测结果数据的滤波处理波形图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的较佳实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
本文所用的术语“容量”，指的是本发明储氢装置的容量，以V表示。例如，本发明氢燃料电池的储氢装置的容量为10L，则该氢燃料电池的储氢装置的容量值V即为10L。本文所用的术语“容量数据”，指的是表示本发明氢燃料电池的储氢装置的容量或容量值的数据。除非特别指出，本文中的“容量数据”指的是以电子数据形式存在，并能被计算机等电子设备读取和/或识别。本文所用的术语“询问”，指的是在本发明氢燃料电池的容量检测装置的询问器200发射或提供一个预设电磁信号(或询问电磁信号)，以供该容量检测装置的应答器100感应，和激活该应答器100发出一个应答信号，从而将储存在该应答器100的储氢装置的容量数据发送给相应询问器200。本文所用的术语“应答”，指的是在本发明氢燃料电池的容量检测装置的应答器100感应到一个预设电磁信号时，将储存在该应答器100的容量数据发送给相应询问器200的过程。本文所用的术语“属性”，指的是本发明氢燃料电池的储氢装置的性质和/或关系。例如，本发明氢燃料电池的储氢装置的容量、制造材质(或材料)、生产日期、制造厂商、生产编号、使用寿命、使用时间(或次数)和/或其它属性，属性的任意组合，或者其它相应的属性。
参照图2至图7所示，根据本发明较佳实施例的氢燃料电池被阐明，其中本发明氢燃料电池包括至少一个发电单元10，如氢燃料电池堆、至少一个储氢装置20、至少一个压力传感器31、至少一个温度传感器32、至少一个电流传感器33和数据处理器40，其中该燃料电池所产生的电能通过供电单元50向负载80供电。优选地，该发电单元10为氢燃料电池(堆)。可以理解，该储氢装置20可以是燃料箱、氢气瓶等合适的储氢设备，以用于储存氢气，和将氢气供给氢燃料电池堆；该压力传感器31被设置用于实时检测储氢装置20内的气压(或压强)；该温度传感器32被设置用于实时检测该储氢装置20内或该储氢装置20所在空间环境温度；该电流传感器33被设置用于实时检测该氢燃料电池的输出电流。进一步地，本发明氢燃料电池堆的该数据处理器40被设置能够根据该储氢装置20的容量(V)、该压力传感器31检测得到的该储氢装置20内的气压(P)、该温度传感器32检测得到的该储氢装置20内或该储氢装置20所在空间环境温度(T)和该电流传感器33检测得到的该氢燃料电池堆10的实时输出电流(I)，计算得到该氢燃料电池的供电时间t(或在一定输出电流值下，储氢装置20内的剩余氢燃料能支持该氢燃料电池正常持续运行时间)。在一些实施例中，该电流传感器33为霍尔电流传感器。可以理解的是，本发明氢燃料电池的供电时间估计通过检测和/或计算该燃料电池的储氢装置20内的氢燃料的量和该燃料电池的储氢装置20内的氢燃料消耗速率实现。在该氢燃料电池的储氢装置20的容量一定的情况下，该燃料电池的储氢装置20内的氢燃料的量由储氢装置20内的气压和温度共同决定。另一方面，该燃料电池的储氢装置20内的氢燃料的消耗速率，可间接从该氢燃料电池的燃料电池堆10的实时输出电流得出。理论上，该燃料电池的储氢装置20内的氢燃料的消耗速率与该氢燃料电池的燃料电池堆10的实时输出电流正相关。相应地，为了计算或估计本发明燃料电池的供电时间，需要计算和获得该燃料电池的氢燃料消耗速率v，其中氢燃料消耗速率v可通过该氢燃料电池堆10的实时输出电流值间接计算获得。在时间t时，可被燃料电池有效利用的储氢装置20内的氢气量为：
nE＝nt1-n0，
其中nE为时间t1时，储氢装置20内可被燃料电池有效利用的氢气量。相应地，该数据处理器40被设置能够根据下述公式：
计算和得到该氢燃料电池的供电时间t，其中P为该储氢装置20内的当前气压，V为该储氢装置20的容量，P0为该储氢装置20内的氢能够被该氢燃料电池利用的最小气压，I为该氢燃料电池堆10的实时输出电流，c为该氢燃料电池对氢的转化率，T1为氢气充气完成时，该储氢装置20内温度，T为该储氢装置20内当前温度，R为气体常数，Z为气压为P时，氢气压缩因子，Z0为气压为P0时，氢气压缩因子，时间t的单位为秒。本领域技术人员可以理解，当环境温度变化不大，导致储氢装置20内的温度也变化不大时，温度T可视为与温度T1相同。在理想状态下(如不考虑氢泄漏、生成热等)，氢燃料电池对氢的转化率为1。此外，如果不要求精确估计氢燃料电池的供电时间t，则可视氢气为理想气体，此时Z和Z0的值为1。考虑到该氢燃料电池的储氢装置20内温度在很大概率，尤其是储氢装置20的材料为导热性能良好的材料制成时，与其所在环境温度差别不大。此时，仅需要检测该储氢装置(或氢燃料电池)20所处工作环境的温度，即可确定该储氢装置20内的温度。因此，在另一些实施例，本发明氢燃料电池的温度传感器32被设置在该储氢装置20所在空间环境中，而不是被设置在该储氢装置20的内部腔室。该温度传感器32被设置在该储氢装置20所在环境，例如，被设置在该储氢装置20的外表面，能够大幅度降低该储氢装置20的制造难度和成本。较佳地，该温度传感器32为温度-电阻传感。可选地，该温度传感器32也可以是其它类型温度传感器。
如附图之图2至图6所示，根据本发明较佳实施例的氢燃料电池进一步包括至少一个第一滤波器51，其中该第一滤波器51被设置能够对压力传感器31检测到的该储氢装置20内的压强数据进行滤波处理，以减弱环境噪音，如电流噪声等对储氢装置20内的压强测量结果的干扰。可以理解，该第一滤波器51可被设置在该压力传感器31和一个模/数转换模块42之间，则该第一滤波器51被设置能够直接对该压力传感器31检测得到的模拟信号进行处理，而当该模/数转换模块42被设置在该压力传感器31和该第一滤波器51之间时，则该第一滤波器51对经该模/数转换模块42转换过的该压力传感器31检测得到的储氢装置20内的压强数据进行处理。
如附图之图2至图6所示，根据本发明较佳实施例的氢燃料电池进一步包括一组第一滤波器51，其中该第一滤波器51被分别设置能够对该压力传感器31和该温度传感器32检测到的该储氢装置20内的温度数据进行滤波处理，以减弱环境噪音，如电流噪声等对储氢装置20内的温度测量结果的干扰。可以理解，该第一滤波器51可被设置在该温度传感器32和一个模/数转换模块42之间，则该第一滤波器51被设置能够直接对该温度传感器32检测得到的模拟信号进行处理，而当该模/数转换模块42被设置在该温度传感器32和该第一滤波器51之间时，则该第一滤波器51对经该模/数转换模块42转换过的该温度传感器32检测得到的储氢装置20内的温度数据进行处理。
值得注意的是，在储氢装置20内的氢气量较少时，消除环境或背景干扰，对精确检测储氢装置20内的气压非常重要。在储氢装置20内的氢气较少时，环境或背景干扰常导致很大的误差。优选地，该第一滤波器51为卡尔曼滤波器或递归滤波器。
可以理解，综合考虑该氢燃料电池的储氢装置20内的压强和温度变化的供电时间估计方法(或装置)的适用范围更大，并能有效排除储氢装置20内的温度变化对储氢装置20内氢气量的影响。因此，后一种氢燃料电池供电时间估计方法尤其适用环境温度(储氢装置内温度)变化幅度较大，尤其是温度变化在10℃以上，氢燃料电池的供电时间的估计。后一种氢燃料电池的供电时间估计方法需要检测储氢装置20内的压强(变化)和储氢装置20内温度(变化)，提供的估计结果非常精确。考虑到氢燃料电池的储氢装置20内温度在很大概率，尤其是储氢装置20的材料为导热性能良好的材料制成时，与其所在环境温度差别不大。因此，在另一些实施例，本发明氢燃料电池的温度传感器32被设置在该储氢装置20所在环境中，而不是被设置在该储氢装置20的内部。该温度传感器32被设置在该储氢装置20所在环境，例如，被设置在该储氢装置20的外表面，能够大幅度降低该储氢装置20的制造难度和成本。较佳地，该温度传感器20为温度-电阻传感。可选地，该温度传感器也可以是其它类型温度传感器。
如附图之图2至图6所示，根据本发明较佳实施例的氢燃料电池进一步包括至少一个噪声传感器34，其中该噪声传感器34与该数据处理器40可通电地相连接，其中该数据处理器40被设置能够根据该噪声传感器34检测到的环境噪音(声)，对该压力传感器31检测到的压力数据进行滤波处理。例如，根据检测到的环境噪音的频率(范围)，设置滤波器的滤波频率。在另一些实施例，该氢燃料电池的该数据处理器40包括一个数据处理模块41和一个与该数据处理模块41可通电地相连接的第一数据传输模块43，和该氢燃料电池进一步包括至少一个与上位机60可通电地相连接的第二数据传输模块44，其中该第一数据传输模块43被设置用于将该数据处理器40估计或计算得到的该氢燃料电池的供电时间数据发送或传输给该第二数据传输模块44，该第二数据传输模块44将该供电时间数据发送或传输给上位机60。可选地，该数据处理器40和该上位机60之间的数据传输可通过有线传输的方式，如通过数据线或连接总线、数据接收端口等物理连接方式实现，也可经由电子通讯网络，通过无线传输的方式实现。值得注意的是，该数据处理器40被设置能够根据该储氢装置20内的气压和该储氢装置20内的温度(或储氢装置20所在工作环境温度计算该氢燃料电池的实时氢气量(摩尔数)的减少速率。
如附图之图2至图6所示，根据本发明较佳实施例的氢燃料电池进一步包括至少一个与该储氢装置20相连通的减压阀35，其中该减压阀35具有一个进气通路351和一个出气通路352，其中该减压阀35的进气通路351与该储氢装置20的出气口211相连通，该减压阀35的出气通路352与该氢燃料电池的进气口212相连通。可以理解，当该储氢装置20内的压强较大时，减压阀35能够控制向氢燃料电池堆10提供氢气的压强在一个合适的水平。优选地，该压力传感器31被设置在该减压阀35的进气通路351，从而使得该压力传感器31检测到的氢气压与该储氢装置20内的压强一致。换句话说，该压力传感器31并不一定被设置在该储氢装置20的内部，也可被设置在该减压阀35的进气通路351。更优选地，该压力传感器31为压电传感器，能够根据该储氢装置20内的氢气压强，生成相应的电信号，并被传输至该数据处理器40。
如附图之图2至图6所示，根据本发明较佳实施例的氢燃料电池的该减压阀35包括一个控制模块353和至少一个减压元件354，其中该减压阀35的控制模块353可通电地与该压力传感器31相连接，以接收该压力传感器31感应或检测到的到的储氢装置20内的氢气压强数据，从而使得该减压阀35的控制模块353能够根据该压力传感器31检测或感应到的该储氢装置20内的氢气压强控制该减压阀35的减压元件354对自该储氢装置20输出的氢气进行降压处理，以使其满足氢燃料电池堆的需要。可选地，该数据处理器40与该减压阀35可通电地相连接，该压力传感器31将其检测或感应到的该储氢装置20内的氢气压强数据传输至该数据处理器40，该数据处理器40根据该压力传感器31检测或感应到的该储氢装置20内的氢气压强控制该减压阀35的减压元件354对自该储氢装置20输出的氢气进行降压处理。
如附图之图2至图6所示，根据本发明较佳实施例的氢燃料电池进一步包括至少一个上位机60，其中该上位机60通过有线，或无线连接的方式，连接于该数据处理器40，该数据处理器40直接地，或通过数据传输模块43、44，将该氢燃料电池的供电时间发送至该上位机60，该上位机60通过显示屏显示该氢燃料电池的供电时间。
如附图之图2至图6所示，根据本发明较佳实施例的氢燃料电池进一步包括至少一个限幅滤波器36，其中该限幅滤波器36被设置能够去除因随机性错误、燃料电池起始运行或未接入负载80等情况下，计算得到的明显不正常的氢燃料电池持续运行时间(或供电时间)。例如，在未接入负载80时，燃料电池输出功率极小或甚至为零，数据处理器40计算得到的氢燃料电池持续运行时间极大，甚至是无穷大。或者，因外界干扰等原因，数据处理器40自压力传感器31接收到储氢装置20内的气压值低于燃料电池能够利用氢的最小气压P0，则此时数据处理器40计算得到的氢燃料电池持续运行时间为零，甚至是负值，其与前一个预设时间周期检测到的结果相比，差异巨大。该限幅滤波器36被设置能够去除这些明显不正常的氢燃料电池持续运行时间，以免上位机60对氢燃料电池的运行状态作出误判。
如附图之图2至图6所示，根据本发明较佳实施例的氢燃料电池的该第一滤波器51被设置，以对该噪声传感器34检测到的储氢装置20所在工作环境噪音数据进行优化，以消除环境干扰，如环境噪音、电流传输噪声对噪音检测结果的干扰。
附图之图14所示的是卡尔曼滤波(Kalman Fliter，KF)对氢气摩尔量检测数据的滤波效果。如附图之图14所示，波形表明，由该压力传感器31检测得到储氢装置20内的压强(或压力)数据直接计算得到的氢气摩尔量数据存在0.6Mol幅度的噪声，经卡尔曼滤波后，该噪声的赋值下降至0.1Mol以内。当该储氢装置20内氢气量较少时，该压力传感器31的噪声会对预测的氢燃料电池供电时间产生较大影响，而卡尔曼滤波法可以改善这种有扰动引起的预测误差。
如附图之图2至图6所示，根据本发明较佳实施例的氢燃料电池进一步包括多个模/数转换模块42，以将各个传感器，如压力传感器31、温度传感器32和/或该噪声传感器34检测得到的模拟信号转换成数字信号。例如，该模/数转换模块42可被设置在该压力传感器31和该第一滤波器51之间。可选地，该第一滤波器51还可被设置在该压力传感器31和该模/数转换模块42之间。当该第一滤波器51被设置在该压力传感器31和该模/数转换模块42之间时，第一滤波器51直接对该压力传感器31检测得到的模拟信号进行处理，而当该模/数转换模块42被设置在该压力传感器31和该第一滤波器51之间时，第一滤波器51对经该模/数转换模块42转换过的该压力传感器31检测得到的储氢装置20内的压强(数据)数字信号进行处理。
如附图之图2至图6所示，依本发明较佳实施例的氢燃料电池进一步包括用于检测或确定储氢装置20容量的容量检测装置70，其包括应答器100和询问器200，其中该应答器100被设置在该氢燃料电池的该储氢装置20，该询问器200被设置能够发射(或提供)一个预设电磁信号(例如，询问电磁信号)，其中该应答器100被设置能够对该询问器200发射的预设电磁信号应答(或响应)，以将储存在该应答器100中的该储氢装置20的容量值(数据)传输给该询问器200。优选地，该应答器100在感应到一个预设电磁信号时，将储存在该应答器100的储氢装置20的容量值(数据)发送给相应询问器200的过程。更优选地，该应答器100在感应到一个预设电磁信号时，生成一个应答或响应信号，被加密或未加密，以将储存在该应答器100的储氢装置20的容量值(数据)发送给相应询问器200。最优选地，该应答器100在感应到预设电磁信号时，生成一个应答或响应信号，并通过电子通讯网络，将储存在该应答器100的储氢装置20的容量值(数据)发送给相应询问器200。本发明检测系统的该应答器100进一步具有至少一个天线110，以接收该询问器200发射的电磁信号。进一步地，该询问器200具有至少一个天线210，以接收该应答器100的应答或回应信号。
值得注意的是，本发明用于检测氢燃料电池的储氢装置20容量的容量检测装置70的应答器100可以是一个电子标签，如RFID电子标签，其中该电子标签适于存储该氢燃料电池的储氢装置20的容量数据(信息)，如储氢装置20的容量值数据信息。优选地，每个应答器100均存储有与该储氢装置20对应的特征码。更优选地，每个应答器100均存储有与该储氢装置20对应的认证信息。进一步地，该电子标签还可能存储有其它储氢装置20相关数据信息，比如产品编号、生产日期、制造商、使用寿命、使用次数、材质、和其它相关容量信息，或信息的任意组合。此时，该询问器200为RFID询问器(或阅读器)，其被设置能够识别至少一个RFID电子标签。一般地，RFID询问器通过一个无线射频信号询问RFID电子标签，RFID电子标签感应到该无线射频信号时，应答(或响应)该询问。优选地，该无线射频信号可编译一个或者多个指令，以使该电子标签根据该指令，作出相应动作。在一些实施例，该应答器100，例如RFID电子标签，并不发射射频信号(或生成射频场)。在另一些实施例，该应答器100，例如RFID电子标签，和该询问器200均发射无线射频信号(或生成射频场)。可选地，该应答器100为近距离无线通信(Near Field Communication,NFC)的从设备(或目标设备)，该询问器200为相应的主设备(或发起设备)，两者均发射射频信号，或仅由该询问器200发射无线射频信号。
如附图之图4至图6所示，依本发明较佳实施例的用于检测氢燃料电池的储氢装置20容量的容量检测装置70的该应答器100包括应答模块101和电源管理模块102，其中该电源管理模块102与该应答模块101可通电地相连接，其中该应答模块101被设置能够感应该预设电磁信号，并应答该预设电磁信号，该电源管理模块102被设置向该应答模块101提供电能。可以理解，该电源管理模块102进一步包括电力储存设备，以向该应答器100提供电力。本领域技术人员可以理解，该电力储存设备可能是长期电力储存设备，如电池，也可以是电力暂时存储设备，如电容或电感。
如附图之图4至图6所示，依本发明较佳实施例的用于检测氢燃料电池的储氢装置20容量的容量检测装置70的该应答器100进一步包括存储模块103，其中该存储模块103与该应答模块101可通电地相连接，其中该存储器103被设置用于存储该储氢装置20的容量数据，并允许该应答模块101读取该储氢装置20的容量数据。
如附图之图4至图6所示，依本发明较佳实施例的用于检测氢燃料电池的储氢装置20容量的容量检测装置70的该询问器200包括询问模块201和电源模块203，其中该电源模块203与该询问模块201可通电地相连接，其中该询问模块201被设置能够发射预设电磁信号，该电源模块203被设置向该询问模块201提供电能。可以理解，该电源模块203可是任何合适的供电设备，以向该询问模块201提供电力。本领域技术人员可以理解，该电源模块203为长期电力储存设备，如电池，或直接与外接电源相连接。优选地，该询问模块201发射的预设电磁信号编码有询问信号或指令。如附图之图4至图6所示，依本发明较佳实施例的用于检测氢燃料电池的储氢装置20容量的容量检测装置70的该询问器200被设置与该燃料电池的数据处理器40可通电地相连接，以将其接收到的该储氢装置20的容量数据传输给该数据处理器40。优选地，该询问器200被设置在该氢燃料电池的发电机构，如燃料电池堆10。可以理解，该数据处理器40可能是燃料电池的上位机60的一部分，且该上位机60具有一个第二数据传输模块44，其中该第二数据传输模块44被设置能够通过一个电子通讯网络接收来自该询问器200的储氢装置20的容量数据。进一步地，该询问器200通过另一个第一数据传输模块43将该储氢装置20的容量数据传输给该第二数据传输模块44，然后再传输给该上位机60。因此，该氢燃料电池的上位机60可通过物理性连接与该询问器200直接可通电地相连接，也可被设置在远端，和通过一个电子通讯网络，可传输信号地与该询问器200相连接。
如附图之图4至图6所示，依本发明较佳实施例的用于检测氢燃料电池的储氢装置20容量的容量检测装置70的该应答器100进一步包括无线充电模块104，其中该无线充电模块104与该电源管理模块102可通电地相连接，其中该无线充电模块104被设置能够在感应到一个充电电磁信号时，自该充电电磁信号中获取电力，并将其传输给该电源管理模块102。进一步地，该充电电磁信号为该预设电磁信号，其中该预设电磁信号为无线射频信号。
如附图之图4至图6所示，依本发明较佳实施例，本发明进一步提供一种用于氢燃料电池的储氢装置20，其包括储氢主体21和被设置在该储氢主体21的应答器100，其中该储氢装置20的容量数据被存储在该应答器100，其中该应答器100被设置能够感应该询问器200发射的一个预设电磁信号，并应答，从而将储存在该应答器100中的该储氢装置20的容量数据传输给该询问器200。
可选地，本发明氢燃料电池的储氢装置20的容量可通过一个输入界面或交互界面90输入至该数据处理器40，如与燃料电池的该数据处理器40(或上位机60)可通电地相连接的触控面板(或显示器、鼠标和/或键盘)，以使使用者能够通过该输入界面90将储氢装置20的容量值直接输入到该数据处理器40，并被储存。优选地，该容量值被储存在电可擦可编程读写存储器(EEPROM)，其中该电可擦可编程读写存储器与该数据处理器40可通电地相连接，以在该燃料电池被重置(或重新启动)时，该数据处理器40或(或上位机60)能够自该电可擦可编程读写存储器读取或获得被储存在电可擦可编程读写存储器中的容量值。更优选地，该被储存在电可擦可编程读写存储器中的容量值可被通过输入界面输入的新的容量值覆盖。可以理解的是，该燃料电池被重置(或重新启动)时，依重置命令和输入的新的容量值，储存在电可擦可编程读写存储器的容量值可被重新配置(或设置)，其中该重置命令可来自输入界面或该上位机60。
如附图之图9所示，依本发明较佳实施例，本发明进一步提供一种用于检测氢燃料电池的储氢装置20的容量的方法，其包括下述步骤：
(A)通过一个预设电磁信号，激活被设置在该储氢装置的应答器，以使该应答器应答该预设电磁信号，从而将储存在该应答器中的该储氢装置20的容量值(数据)发送给询问器；
(B)接收该储氢装置20的容量值(数据)；和
(C)传输该储氢装置20的容量值(数据)给该燃料电池的数据处理器。
如附图之图4至图6所示，依本发明较佳实施例，本发明用于检测氢燃料电池的储氢装置20的容量的方法，进一步包括下述步骤：
(D)记录该应答器的每一次应答，并储存在该应答器。
附图之图7显示的是依本发明较佳实施例的容量检测装置70的一种可选实施，其中该可选实施包括图形码100A、图形码阅读器(或扫描器)200A和图形解码器300A，其中该图形码100A被设置在该储氢装置20，该图形解码器300A被设置与该图形码阅读器200A可通电地相连通，其中该图形码阅读器200A被设置能够识别和读取该图形码100A，该图形解码器300A被设置能够对该图形码阅读器200A的读取结果进行解码和得到被编码在该图形码100A中的该储氢装置20的容量值。可以理解，该图形码阅读器200A被设置能够阅读和/或读取图形码100A的编码信息，或扫描图形码100A，该图形码解码器300A被设置能够根据编码信息和/或扫描得到的图形码100A的几何形体(一般通过特定码制与二进制相对应)，解码得到本发明氢燃料电池的储氢装置20的容量(值)，并将其发送给燃料电池的数据处理器40，以便该燃料电池的数据处理器40能够根据储氢装置20的容量值，控制该燃料电池的运行。在一些实施例，该图形码100A为条形码或二维码。一般地，该图形码100A被设置在储氢装置20的储氢主体21，如该储氢主体21的外表面或外侧壁。优选地，该图形码100A被设置朝向本发明燃料电池的图形码阅读器200A。在另一些实施例，该图形码100A为二维码或条形码，该图形码阅读器200A为激光询问器。优选地，该图形码100A为二维码。更优选地，该图形码解码器300A与本发明氢燃料电池的数据处理器40可通电地相连接，以将其解码得到的该储氢装置20的容量值以电子数据的形式发送给该氢燃料电池的数据处理器40。可选地，该数据处理器40为本发明氢燃料电池的上位机60的一部分，且该上位机60具有一个第二数据传输模块44，其中该第二数据传输模块44被设置能够通过一个电子通讯网络接收来自该图形码解码器300A的储氢装置20的容量数据。进一步地，该图形码解码器300A通过另一个第一数据传输模块43将该储氢装置20的容量数据传输给该第二数据传输模块44，然后再传输给该上位机60。因此，该氢燃料电池的上位机60可通过物理性连接与该图形码解码器300A直接可通电地相连接，也可被设置在远端，和通过一个电子通讯网络，可传输信号地与该图形码解码器300A相连接。
如附图之图7所示，依本发明较佳实施例，本发明氢燃料电池的储氢装置20包括储氢主体21和被设置在该储氢主体21的图形码100A，其中该储氢装置20的容量数据被编码在该图形码100A，其中该图形码100A被设置能够被相应图形码阅读器200A读取，和被相应图形解码器300A解码，以得到被编码在该图形码100A中的该储氢装置20的容量值。优选地，该图形码阅读器200A和该图形解码器300A被分别设置在该氢燃料电池的发电机构，如燃料电池堆10。
如附图之图10所示，依本发明较佳实施例，本发明进一步提供一种用于检测氢燃料电池的储氢装置20的容量的方法，其包括下述步骤：
(A)读取被设置在该储氢装置的图形码；
(B)解码读取到的图形码，以得到被编码在该图形码中的该储氢装置20的容量值；和
(C)转换解码得到的该储氢装置20的容量值为相应电子数据，并将其发送给该燃料电池的数据处理器。
依本发明较佳实施例，本发明用于检测氢燃料电池的储氢装置20的容量的方法，进一步包括下述步骤：
(D)记录该图形码阅读器的每一次解码，并储存在该图形码阅读器，其中每个图形码均编码有一个与该储氢装置对应的特征码。优选地，该储氢装置20的容量值(数据)通过一个电子通讯网络被发送给该燃料电池的数据处理器。更优选地，每个图形码100A均编码有与该储氢装置20对应的认证信息。
换句话说，每个储氢装置20的图形码100A均编码有一个独特的特征码，以区分不同的储氢装置20，从而使得该图形码解码器300A在对储氢装置20的图形码100A进行解码时，可以认为该储氢装置20被使用一次。该图形码解码器300A记录其每次对图形码100A的解码，从而使该图形码解码器300A在下一次再次对储氢装置20的图形码100A进行解码时，该图形码解码器300A能够知道该储氢装置20之前的使用次数。
值得注意的是，本文中的电子通讯网络可为局域网、城域网、广域网等互联网络的一种。在一些实施例，本文中的电子通讯网络为局部通讯链接，比如USB、PCI等等。在一些实施例，本文中的电子通讯网络为点对点通信网络，如蓝牙通信网络、近场通信网络。在一些实施例，本文中的电子通讯网络为移动通信网络的一种，如2G通信网络、3G通信网络、4G通信网络、5G通信网络、卫星电话通信网络，或其它能实现电子通信的网络。依本发明较佳实施例，本发明进一步提供用于燃料电池，尤其是氢燃料电池的供电时间估计系统，其包括用于实时检测储氢装置20内气压的压力传感器31、用于实时检测该燃料电池堆10的输出电流的电流传感器33和数据处理器40，其中该压力传感器31和该电流传感器33被设置分别与该数据处理器40可通电地相连接，以自该压力传感器31和该电流传感器33接收该储氢装置20的压强数据和该燃料电池堆10的电流数据。
根据本发明较佳实施例，本发明进一步提供用于燃料电池，尤其是氢燃料电池的供电时间估计系统，其包括用于实时检测储氢装置20内气压的压力传感器31、用于实时检测储氢装置20内温度的温度传感32、用于实时检测该燃料电池堆10的输出电流的电流传感器33和数据处理器40，其中该压力传感器31、该温度传感器32和该电流传感器33分别与该数据处理器40可通电地相连接，以自该压力传感器31、该温度传感器32和该电流传感器33接收检测到的该储氢装置20内的压强、温度和该燃料电池堆10的输出电流数据，其中该数据处理器40被设置能够根据下述公式：
计算得到该氢燃料电池的供电时间t，其中V为该氢燃料电池的储氢装置的容量，P0为该氢燃料电池的储氢装置内的氢能够被该氢燃料电池利用的最小气压，c为该氢燃料电池对氢的转化率，T1为氢气充气完成时，该氢燃料电池的储氢装置内温度，R为气体常数，Z为气压为P时，氢气压缩因子，Z0为气压为P0时，氢气压缩因子，时间t的单位为秒。如附图之图8所示，根据本发明较佳实施例，本发明进一步提供一种用于估计燃料电池，尤其是氢燃料电池的供电时间的方法，其包括下述步骤：
(a)实时检测该氢燃料电池的储氢装置内的气压P、和该氢燃料电池的氢燃料电池堆的输出电流I和该氢燃料电池的储氢装置内温度T；和
(b)根据下述公式：
计算得到该氢燃料电池的供电时间t，其中V为该氢燃料电池的储氢装置的容量，P0为该氢燃料电池的储氢装置内的氢能够被该氢燃料电池利用的最小气压，c为该氢燃料电池对氢的转化率，T1为氢气充气完成时，该氢燃料电池的储氢装置内温度，R为气体常数，Z为气压为P时，氢气压缩因子，Z0为气压为P0时，氢气压缩因子，时间t的单位为秒。
根据本发明较佳实施例，本发明用于估计氢燃料电池供电时间的方法进一步包括下述步骤：
(c)根据下述公式：
对检测到的该氢燃料电池的储氢装置内气压信号进行滤波处理，其中F为法拉第常数，C为该氢燃料电池的氢燃料电池堆的单电池数目，δI为该氢燃料电池的氢燃料电池堆的输出电流的系统噪声，δP为检测该氢燃料电池的储氢装置内压力数据时的测量噪声，Ts为滤波循环周期，λ为该氢燃料电池的氢燃料电池堆的氢气泄漏速度，其中该步骤(c)位于该步骤(a)之后，该步骤(b)之前。
根据本发明较佳实施例，本发明用于估计氢燃料电池供电时间的方法进一步包括下述步骤：
(d1)对检测到该氢燃料电池的储氢装置内的气压P数据、该氢燃料电池的氢燃料电池堆的输出电流I数据和/或该氢燃料电池的储氢装置内温度T数据进行限幅处理，以去除异常压力信号、异常电流信号和/或异常温度信号，其中该步骤(d1)位于该步骤(a)之后，该步骤(b)之前。
根据本发明较佳实施例，本发明用于估计氢燃料电池供电时间的方法进一步包括下述步骤：
(d2)对计算得到的该氢燃料电池的供电时间数据进行处理，以去除异常供电时间信号，其中该步骤(d2)位于该步骤(b)之后。
根据本发明较佳实施例，本发明用于估计氢燃料电池供电时间的方法进一步包括下述步骤：
(e)检测该燃料电池的储氢装置的容量V，并存储该容量值，其中步骤(e)位于该步骤(a)之前。
附图之图13所示的是当氢燃料电池用于无人机时，本发明氢燃料电池供电时间估计系统(或方法)对该氢燃料电池供电时间的估计或预测结果。如附图之图13所示，依氢燃料电池堆的输出电流，氢燃料电池估计供电时间值随实际供电时间波动，体现本发明氢燃料电池供电时间估计系统(或方法)对氢燃料电池供电时间预测的实时性和有效性。
如附图之图13和图14所示，根据本发明较佳实施例的氢燃料电池供电时间估计(预估)方法被阐释，其中该数据处理器40对数据进行处理，以得到对氢燃料电池持续供电时间的估计结果。值得注意的是，上位机60也可用于对数据进行处理和对氢燃料电池持续供电时间进行估计(或预估)。
本发明氢燃料电池供电时间预估方法包括以下步骤：
(100)实时获取每个循环周期的当前时间数据、氢燃料电池堆10输出电流数据、储氢装置20氢气压力数据以及环境温度数据；
(200)执行卡尔曼滤波处理；
(300)生成卡尔曼滤波输出结果；
(400)获得储氢装置20内部氢气摩尔量；
(500)获取负载80电流数据；
(600)处理负载80电流数据并获得氢气摩尔量减少速率；
(700)通过IIR数字滤波器滤除高频噪声；以及
(800)生成氢燃料电池堆10的持续供电时间。
值得一提的是，该步骤(100)还包括步骤：获取已经执行的循环周期数据。
具体地，在本发明的实施例中，将当前时间(记为第k个程序循环周期)，氢燃料电池堆输出电流i、储氢装置氢气压力p、环境温度K作为输入进行卡尔曼滤波(Kalmanfiltering)，滤波输出结果为综合状态预测结果和测量结果的储氢装置内部氢气摩尔量n(k|k)。通过负载电流计算氢气摩尔量变化速率n'(k)，将n'(k)通过IIR滤波器滤除高频噪声之后再送至后级进行运算。认为之后氢气摩尔量线性变化，求出氢燃料电池的持续供电时间：T(k)＝-n(k)/n'(k)。
在该步骤(200)中，执行卡尔曼滤波处理所依据的状态方程和观测方程为：
上述两个方程中F为法拉第常数，C为氢燃料电池堆单电池片数，δI为氢燃料电池输出电流的系统噪声，Z为氢气压缩率，其大小为a+b·p，a、b为常数，R为摩尔气体常数，V为储氢装置的容量，δP为储氢装置氢气压力采集数据中存在的测量噪声，λ为氢燃料电池堆因为排气操作造成的氢气泄漏的速度，为常数。状态方程对应的系统参数A＝1，测量方程对应的系统参数H＝R/V。Ts为程序循环周期。
进一步地，该步骤(200)之前还包括以下步骤：获取并处理法拉第常数数据、氢燃料电池堆10的单电池片数数据、氢燃料电池输出电流的系统噪声数据、氢气压缩率数据、储氢装置20的容量数据、储氢装置20氢气压力采集数据中存在的测量噪声数据以及氢气泄漏的速度数据。
在本发明的实施例中，该数据处理器40获取各数据进行处理并生成该氢燃料电池堆10的持续供电时间。该步骤(200)还包括以下步骤：
(210)执行变量数据初始化操作。
该步骤(210)还包括以下步骤：
(211)获取存储器103中存储的出氢装置容量值数据；以及
(212)提供初始数据以初始化储氢装置氢气压力数据、氢燃料电池堆输出电流数据、环境温度数据、氢气摩尔量减少速率、氢燃料电池初始运行时间数据、氢燃料电池堆10输出电流的系统噪声的方差数据以及储氢装置氢气压力采集数据中存在的测量噪声的方差数据、当前循环周期的最优估算值数据以及当前循环周期的最优估算值的协方差数据。
优选地，数据处理器40提供数据零给氢燃料电池堆输出电流数据、环境温度数据、氢气摩尔量减少速率以及氢燃料电池初始运行时间数据。优选地，该数据处理器40提供常数数据给氢燃料电池堆10输出电流的系统噪声的方差数据以及储氢装置氢气压力采集数据中存在的测量噪声的方差数据。优选地，该数据处理器40提供常数数据给当前循环周期的最优估算值。优选地，该数据处理器40提供给当前循环周期的最优估算值的协方差在数值上为1。
在本发明的这个实施例中，该存储器103被实施为EEPROM。具体地，在该步骤(210)中，在该数据处理器40上电之后，先对获取到的所有的变量数据进行初始化操作。进一步地，在该步骤(211)中，读取EEPROM中存储的出氢装置容量值V；进一步地，在该步骤(212)中，初始化pH2＝0，iFC＝0，K＝0，n'＝0，T＝0。用Q和R代表卡尔曼滤波系统方程中δI和观测方程中δP的方差，初始化为常数；用n(k|k)表示在第k个循环周期时的最优估算值，n(k|k-1)表示第k个循环周期时根据上一次最优估计值计算出的预测值，初始化n(0|0)＝P/γ，γ为常数；用P(k|k)表示对应n(k|k)的协方差(Covariance)，初始化P(0|0)＝1。
在数据处理器40上电之后，在每个循环周期内根据当前输入值更新中间变量和输出值，也就是说，该步骤(200)还包括步骤(220)：在每个循环周期内根据当前输入值更新中间变量数据和输出值数据。
该步骤(220)包括以下步骤：
(221)获取当前循环周期的储氢装置20氢气压力数据、氢燃料电池堆10输出电流数据以及环境温度值数据，生成在当前循环周期的根据上一次循环周期的最优估计值而获得的储氢装置20氢气摩尔量的预测值数据；
(222)更新当前循环周期中储氢装置20氢气摩尔量的预测值对应的协方差数据；
(223)生成卡尔曼增益值数据；
(224)生成当前时刻的储氢装置20内部氢气摩尔量的最优估算值；以及
(225)更新当前循环周期的储氢装置20内部氢气摩尔量的最优估算值对应的协方差数据。
其中，在每个循环周期内，循环执行该步骤(221)至该步骤(225)，从而对相应的中间变量数据进行更新步骤，最后输出储氢装置20氢气摩尔量的最优估计值数据。
在本发明的实施例中，具体地，该步骤(200)被实施为：
(1)获取当前储氢装置氢气压力pH2(k)、氢燃料电池堆输出电流iFC(k)、环境温度K(k)值，计算第k个循环周期时的储氢装置氢气摩尔量的预测值n(k|k-1)：
(2)更新n(k|k-1)对应的协方差P(k|k-1)：
P(k|k-1)＝P(k-1|k-1)+Q
(3)计算卡尔曼增益Kg(k)：
(4)计算时刻k的最优估算值n(k|k)：
其中Z(k)为氢气压缩率，Z(k)＝a+b*pH2(k)。
(5)更新n(k|k)对应的协方差P(k|k)：
P(k|k)＝[1-Kg(k)·H]·P(k|k-1)
也就是说，每个循环内卡尔曼滤波程序的执行流程按照(1)～(5)对相关变量进行更新，最后输出最优估计值。
进一步地，该步骤(222)还包括步骤：获取氢燃料电池堆10输出电流的系统噪声的方差数据，以处理并生成当前循环周期中储氢装置20氢气摩尔量的预测值对应的协方差数据。
进一步地，该步骤(223)还包括步骤：获取并处理摩尔气体常数数据、储氢装置20的容量数据以及更新后的当前循环周期中储氢装置20氢气摩尔量的预测值对应的协方差数据。
进一步地，该步骤(224)还包括步骤：获取并处理上一次循环周期的最优估计值数据、卡尔曼增益值数据、当前储氢装置氢气压力数据、氢气压缩率数据、摩尔气体常数数据以及储氢装置20的容量数据。
进一步地，该步骤(225)还包括步骤：获取并处理卡尔曼增益值数据、摩尔气体常数数据、储氢装置20的容量数据以及当前循环周期中储氢装置20氢气摩尔量的预测值对应的协方差数据。
在本发明的实施例中，该步骤(600)中，需要获得氢气摩尔量减少速率。该数据处理器40的第一滤波器51在执行该步骤(600)时，所依据的储氢装置20内氢气摩尔量的变化率n'(k)计算方法为：
nn'(k)＝f(i)
nn'(k)为未经过滤波的n'(k)，将nn'(k)进行无限脉冲响应(IIR)低通滤波处理，滤波器阶数设置为FSTEP，截止频率为fSTOP，滤波后得到最终储氢装置20内氢气摩尔量的变化率n'(k)。将储氢装置20氢气摩尔量n(k)除以氢气摩尔量变化率n'(k)，即为计算得到的氢燃料电池持续供电时间。由于该第一滤波器51属于通用技术，所以本专利不再赘述。
在本发明的实施例中，该数据处理器40执行变量数据初始化操作，并输入该第一滤波器51。该第一滤波器51实时获取每个循环周期的当前时间数据、氢燃料电池堆10输出电流数据、储氢装置20氢气压力数据以及环境温度数据，并且执行卡尔曼滤波处理以及生成卡尔曼滤波输出结果，也就是说，该第一滤波器51将滤波输出结果为综合状态预测结果和测量结果的储氢装置内部氢气摩尔量n(k)传送至该数据处理器40。进一步地，该电流传感器33获取负载80电流数据，并且处理负载80电流数据并获得氢气摩尔量减少速率，这里获得的是未经过滤波的初始速率。进一步地，该电流传感器33将未经过滤波的数据传送给该第一滤波器51，该第一滤波器51滤波后得到最终储氢装置20内氢气摩尔量的变化率n'(k)，并且传送给该数据处理器40。进一步地，该数据处理器40根据获取到的综合状态预测结果和测量结果的储氢装置内部氢气摩尔量n(k)以及滤波后得到最终储氢装置20内氢气摩尔量的变化率n'(k)，生成氢燃料电池堆10的持续供电时间。进一步地，该数据处理器40将生成的氢燃料电池堆10的持续供电时间作为处理结果发送至该第一传输模块。
在本发明的实施例中，被实施为EEPROM的该存储器103的主要作用是存储和重新配置储氢装置20的容量参数数据。在该氢燃料电池的数据处理器40进行出厂设置时，将该储氢装置20的容量值V写入EEPROM。后期每次重新启动该氢燃料电池的数据处理器40，该第一滤波器51自动从EEPROM读取储氢装置20的容量值数据进行卡尔曼滤波计算处理。
该氢燃料电池的数据处理器40和该上位机60通过RS232串口进行通讯。该上位机60的该交互单元90具有储氢装置容量值重新配置面板，当该氢燃料电池堆10更换储氢装置20后，通过在该上位机60的该交互单元90的储氢装置容量值重新配置面板内输入新的容量值数据，并将其发送给该氢燃料电池的数据处理器40。该氢燃料电池的数据处理器40接收到储氢装置容量值重新配置命令后，先保存新的容量值数据至一个变量单元中，并将其写入EEPROM，覆盖原来的容量值数据。输入完成后，该氢燃料电池的数据处理器40重新读取EEPROM中容量值数据并与保存新容量值的变量值数据对比，如果两者相同，则说明新的容量值数据存储成功，该氢燃料电池的数据处理器40向该上位机60发送配置成功标志，该上位机60的该交互单元90显示“容量值修改成功”；如果两者不同，则说明新的容量值数据配置失败，该氢燃料电池的数据处理器40向该上位机60发送配置失败标志，该上位机60的该交互单元90显示“容量值修改失败”，提醒用户重新配置储氢装置20容量值数据。本领域的技术人员可以理解的是，EEPROM为非易失性存储器，每次修改后，每次重新上电后都会自动从EEPROM读取配置的容量值数据。
该氢燃料电池供电时间预估方法还包括步骤(900)：氢燃料电池的数据处理器40执行出厂设置，存储器103存储和重新配置储氢装置20的容量参数数据。
该氢燃料电池供电时间预估方法还包括以下步骤：
(911)氢燃料电池的数据处理器40的容量检测装置70检测到储氢装置20被更换时，获取更换后的储氢装置20的容量值数据；
(912)氢燃料电池的数据处理器40的该容量检测装置70存储新的储氢装置20的容量值数据；
(913)该容量检测装置70将新的储氢装置20的容量值数据发送至该存储器103，覆盖该存储器103中原来的储氢装置20的容量值数据；
(914)该容量检测装置70比较自身存储的新的储氢装置20的容量值数据以及该存储器103中的储氢装置20的容量值数据；
(915)如果该容量检测装置70的数据比较结果为相同时，向上位机60发送配置成功信息，上位机60的该交互单元90显示“容量值修改成功”；以及
(916)如果该容量检测装置70的数据比较结果为不同时，向上位机60发送配置失败信息，该上位机60的该交互单元90显示“容量值修改失败”。
本领域技术人员能够理解，其它类型的气体燃料电池的供电时间也可通过本发明氢燃料电池的供电时间估计方法(或系统)来估计。例如，甲醇燃料电池、联氨燃料电池、气态烃类燃料电池和/或一氧化碳燃料电池等，均可使用本发明燃料电池供电时间估计方法(或系统)。因此，燃料电池所用燃料种类不应构成对本发明的限制。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。
本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (35)

1.一种氢燃料电池，其特征在于，包括：
氢燃料电池堆；
适用于向所述氢燃料电池堆供应氢的储氢装置；
用于实时检测所述储氢装置内气压的压力传感器；
用于实时检测所述氢燃料电池堆的输出电流的电流传感器；
用于实时检测所述储氢装置内温度的温度传感器；和
数据处理器，其中所述数据处理器分别与所述压力传感器、所述温度传感器和所述电流传感器可通电地相连接，其中所述数据处理器被设置能够根据下述公式：
计算和得到所述氢燃料电池的供电时间t，其中P为所述储氢装置内的当前气压，V为所述储氢装置的容量，P0为所述储氢装置内的氢能够被所述氢燃料电池利用的最小气压，I为所述氢燃料电池堆的实时输出电流，c为所述氢燃料电池对氢的转化率，T1为氢气充气完成时，所述储氢装置内温度，T为所述储氢装置内当前温度，R为气体常数，Z为气压为P时，氢气压缩因子，Z0为气压为P0时，氢气压缩因子，时间t的单位为秒。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括至少一个第一滤波器，其中所述第一滤波器被设置在所述数据处理器和所述压力传感器之间，其中所述第一滤波器被设置能够除去所述压力传感器检测到的所述储氢装置内压力信号中的噪声。
3.根据权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括一组第一滤波器，其中所述第一滤波器分别被设置在所述数据处理器和所述压力传感器之间、所述数据处理器和所述温度传感器之间和所述数据处理器和所述电流传感器之间，以除去所述压力传感器检测到的所述储氢装置内压力信号、所述温度传感器检测到的所述储氢装置内温度信号和所述电流传感器检测到的所述氢燃料电池堆的输出电流信号中的噪声。
4.根据权利要求2或3所述的氢燃料电池，其特征在于，所述噪声指的是频率大于30Hz的信号。
5.根据权利要求4所述的氢燃料电池，其特征在于，所述噪声指的是频率大于50Hz的信号。
6.根据权利要求2或3所述的氢燃料电池，其特征在于，所述第一滤波器能够根据下述公式：
对所述压力传感器检测到的所述储氢装置内气压信号进行滤波处理，其中F为法拉第常数，C为所述氢燃料电池堆的单电池数，δI为所述氢燃料电池输出电流的系统噪声，δP为检测所述储氢装置内压力数据时的测量噪声，Ts为滤波循环周期，λ为所述氢燃料电池堆的氢气泄漏速度，n为储氢装置内的氢气摩尔量，k为程序循环周期，n(k)为k程序循环储氢装置内部氢气摩尔量，n(k-1)为k程序循环周期的上一个循环周期的储氢装置内部氢气摩尔量，p(k)当前储氢装置氢气压力，i为氢燃料电池堆输出电流，K(k)为环境温度，Z(k)为氢气压缩率。
7.根据权利要求1、2或3所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括至少一个限幅滤波器，其中所述限幅滤波器被设置在所述数据处理器和所述压力传感器之间，所述限幅滤波器被设置能够去除所述压力传感器检测到的异常压力信号。
8.根据权利要求3所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括至少一个限幅滤波器，其中所述限幅滤波器被设置在所述数据处理器和所述第一滤波器之间，所述限幅滤波器被设置能够去除所述第一滤波器生成的异常压力信号。
9.根据权利要求1、2或3所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括至少一个噪声传感器，其中所述噪声传感器与所述数据处理器可通电地相连接，其中所述数据处理器被设置能够根据所述噪声传感器检测到的环境噪声，对所述数据处理器接收到的压力数据进行滤波处理。
10.根据权利要求1、2或3所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括至少一个减压阀，其中所述减压阀具有一个进气通路和一个出气通路，其中所述减压阀的进气通路与所述储氢装置的出气口相连通，其中所述压力传感器被设置在所述减压阀的进气通路。
11.根据权利要求1、2或3所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括至少一个上位机，其中所述上位机被设置能够与所述数据处理器相通讯，从而使得所述上位机能够自所述数据处理器接收所述数据处理器计算得到的所述氢燃料电池的供电时间t。
12.根据权利要求11所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括至少一个第一数据传输模块和至少一个第二数据传输模块，其中所述第一数据传输模块与所述数据处理器可通电地相连接，所述第二数据传输模块与所述上位机可通电地相连接，其中所述第一数据传输模块被设置用于将所述数据处理器计算得到的所述氢燃料电池的供电时间数据传输给所述第二数据传输模块，所述第二数据传输模块被设置能够将所述供电时间数据传输给所述上位机。
13.根据权利要求1、2或3所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括至少一个存储器，其中所述存储器能够存储一个新的容量值。
14.根据权利要求1、2或3所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括一个容量检测装置，其中所述容量检测装置包括至少一个应答器和至少一个询问器，其中所述应答器被设置在所述氢燃料电池的所述储氢装置，所述询问器被设置能够发射一个预设电磁信号，其中所述应答器被设置能够应答所述询问器发射的预设电磁信号，以将储存在所述应答器中的所述储氢装置的容量值传输给所述询问器。
15.根据权利要求1、2或3所述的氢燃料电池，其特征在于，进一步包括一个容量检测装置，其中所述容量检测装置包括图形码、图形码阅读器和图形解码器，其中所述图形码被设置在所述储氢装置，所述图形码阅读器被设置能够识别和读取所述图形码，所述图形解码器被设置与所述图形码阅读器可通电地相连通，其中所述图形解码器被设置能够对所述图形码阅读器的读取结果进行解码和得到被编码在所述图形码中的所述储氢装置的属性值。
16.一种氢燃料电池供电时间估计系统，其包括：
用于实时检测所述氢燃料电池的储氢装置内气压的压力传感器；
用于实时检测所述氢燃料电池的氢燃料电池堆的输出电流的电流传感器；
用于实时检测所述氢燃料电池的储氢装置内温度的温度传感器；和
数据处理器，其中所述数据处理器分别与所述压力传感器、所述温度传感器和所述电流传感器可通电地相连接，其中所述数据处理器被设置能够根据下述公式：
计算和得到所述氢燃料电池的供电时间t，其中P为所述氢燃料电池的储氢装置内的当前气压，V为所述氢燃料电池的储氢装置的容量，P0为所述氢燃料电池的储氢装置内的氢能够被所述氢燃料电池利用的最小气压，I为所述氢燃料电池的氢燃料电池堆的实时输出电流，c为所述氢燃料电池对氢的转化率，T1为氢气充气完成时，所述氢燃料电池的储氢装置内温度，T为所述氢燃料电池的储氢装置内当前温度，R为气体常数，Z为气压为P时，氢气压缩因子，Z0为气压为P0时，氢气压缩因子，时间t的单位为秒。
17.根据权利要求16所述的氢燃料电池供电时间估计系统，其特征在于，进一步包括至少一个第一滤波器，其中所述第一滤波器被设置在所述数据处理器和所述压力传感器之间，其中所述第一滤波器被设置能够除去所述压力传感器检测到的所述储氢装置内压力信号中的噪声。
18.根据权利要求16所述的氢燃料电池供电时间估计系统，其特征在于，进一步包括一组第一滤波器，其中所述第一滤波器分别被设置在所述数据处理器和所述压力传感器之间、所述数据处理器和所述温度传感器之间和所述数据处理器和所述电流传感器之间，以除去所述压力传感器检测到的所述储氢装置内压力信号、所述温度传感器检测到的所述储氢装置内温度信号和所述电流传感器检测到的所述氢燃料电池堆的输出电流信号中的噪声。
19.根据权利要求17或18所述的氢燃料电池供电时间估计系统，其特征在于，所述噪声指的是频率大于30Hz的信号。
20.根据权利要求19所述的氢燃料电池供电时间估计系统，其特征在于，所述噪声指的是频率大于50Hz的信号。
21.根据权利要求17或18所述的氢燃料电池供电时间估计系统，其特征在于，所述第一滤波器能够根据下述公式：
对所述压力传感器检测到的所述储氢装置内气压信号进行滤波处理，其中F为法拉第常数，C为所述氢燃料电池堆的单电池数，δI为所述氢燃料电池输出电流的系统噪声，δP为检测所述储氢装置内压力数据时的测量噪声，Ts为滤波循环周期，λ为所述氢燃料电池堆的氢气泄漏速度，n为储氢装置内的氢气摩尔量，k为程序循环周期，n(k)为k程序循环储氢装置内部氢气摩尔量，n(k-1)为k程序循环周期的上一个循环周期的储氢装置内部氢气摩尔量，p(k)当前储氢装置氢气压力，i为氢燃料电池堆输出电流，K(k)为环境温度，Z(k)为氢气压缩率。
22.根据权利要求16、17或18所述的氢燃料电池供电时间估计系统，其特征在于，进一步包括至少一个限幅滤波器，其中所述限幅滤波器被设置在所述数据处理器和所述压力传感器之间，其中所述限幅滤波器被设置能够去除所述压力传感器检测到的异常压力信号。
23.根据权利要求18所述的氢燃料电池供电时间估计系统，其特征在于，进一步包括至少一个限幅滤波器，其中所述限幅滤波器被设置在所述数据处理器和所述第一滤波器之间，其中所述限幅滤波器被设置能够去除所述第一滤波器生成的异常压力信号。
24.根据权利要求16、17或18所述的氢燃料电池供电时间估计系统，其特征在于，进一步包括至少一个噪声传感器，其中所述噪声传感器与所述数据处理器可通电地相连接，其中所述数据处理器被设置能够根据所述噪声传感器检测到的环境噪声，对所述数据处理器接收到的压力数据进行滤波处理。
25.根据权利要求16、17或18所述的氢燃料电池供电时间估计系统，其特征在于，进一步包括至少一个减压阀，其中所述减压阀具有一个进气通路和一个出气通路，其中所述减压阀的进气通路与所述储氢装置的出气口相连通，其中所述压力传感器被设置在所述减压阀的进气通路。
26.根据权利要求16、17或18所述的氢燃料电池供电时间估计系统，其特征在于，进一步包括至少一个上位机，其中所述上位机被设置能够与所述数据处理器相通讯，从而使得所述上位机能够自所述数据处理器接收所述数据处理器计算得到的所述氢燃料电池的供电时间t。
27.根据权利要求26所述的氢燃料电池供电时间估计系统，其特征在于，进一步包括至少一个第一数据传输模块和至少一个第二数据传输模块，其中所述第一数据传输模块与所述数据处理器可通电地相连接，所述第二数据传输模块与所述上位机可通电地相连接，其中所述第一数据传输模块被设置用于将所述数据处理器计算得到的所述氢燃料电池的供电时间数据传输给所述第二数据传输模块，所述第二数据传输模块被设置能够将所述供电时间数据传输给所述上位机。
28.根据权利要求16、17或18所述的氢燃料电池供电时间估计系统，其特征在于，进一步包括至少一个存储器，其中所述存储器能够存储一个新的容量值。
29.根据权利要求16、17或18所述的氢燃料电池供电时间估计系统，其特征在于，进一步包括一个容量检测装置，其中所述容量检测装置包括至少一个应答器和至少一个询问器，其中所述应答器被设置在所述氢燃料电池的所述储氢装置，所述询问器被设置能够发射一个预设电磁信号，其中所述应答器被设置能够应答所述询问器发射的预设电磁信号，以将储存在所述应答器中的所述储氢装置的容量值传输给所述询问器。
30.根据权利要求16、17或18所述的氢燃料电池供电时间估计系统，其特征在于，进一步包括一个容量检测装置，其中所述容量检测装置包括图形码、图形码阅读器和图形解码器，其中所述图形码被设置在所述储氢装置，所述图形码阅读器被设置能够识别和读取所述图形码，所述图形解码器被设置与所述图形码阅读器可通电地相连通，其中所述图形解码器被设置能够对所述图形码阅读器的读取结果进行解码和得到被编码在所述图形码中的所述储氢装置的属性值。
31.一种氢燃料电池供电时间估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)实时检测所述氢燃料电池的储氢装置内的气压P、所述氢燃料电池的氢燃料电池堆的输出电流I和所述氢燃料电池的储氢装置内的温度T；和
(b)根据下述公式：
计算所述氢燃料电池的供电时间t，其中V为所述氢燃料电池的储氢装置的容量，P0为所述氢燃料电池的储氢装置内的氢能够被所述氢燃料电池利用的最小气压，c为所述氢燃料电池对氢的转化率，T1为氢气充气完成时，所述氢燃料电池的储氢装置内温度，R为气体常数，Z为气压为P时，氢气压缩因子，Z0为气压为P0时，氢气压缩因子，时间t的单位为秒。
32.根据权利要求31所述的氢燃料电池供电时间估计方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：
(c)根据下述公式：
对检测到的所述氢燃料电池的储氢装置内气压信号进行滤波处理，其中F为法拉第常数，C为所述氢燃料电池的氢燃料电池堆的单电池数目，δI为所述氢燃料电池的氢燃料电池堆的输出电流的系统噪声，δP为检测所述氢燃料电池的储氢装置内压力数据时的测量噪声，Ts为滤波循环周期，λ为所述氢燃料电池的氢燃料电池堆的氢气泄漏速度，n为储氢装置内的氢气摩尔量，k为程序循环周期，n(k)为k程序循环储氢装置内部氢气摩尔量，n(k-1)为k程序循环周期的上一个循环周期的储氢装置内部氢气摩尔量，p(k)当前储氢装置氢气压力，i为氢燃料电池堆输出电流，K(k)为环境温度，Z(k)为氢气压缩率，其中所述步骤(c)位于所述步骤(a)之后，所述步骤(b)之前。
33.根据权利要求31所述的氢燃料电池供电时间估计方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：
(d1)对检测到所述氢燃料电池的储氢装置内的气压P数据、所述氢燃料电池的氢燃料电池堆的输出电流I数据和/或所述氢燃料电池的储氢装置内的温度T数据进行限幅处理，以去除异常压力信号、异常电流信号和/或异常温度信号，其中所述步骤(d1)位于所述步骤(a)之后，所述步骤(b)之前。
34.根据权利要求31所述的氢燃料电池供电时间估计方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：
(d2)对计算得到的所述氢燃料电池的供电时间数据进行处理，以去除异常供电时间信号，其中所述步骤(d2)位于所述步骤(b)之后。
35.根据权利要求31所述的氢燃料电池供电时间估计方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：
(e)检测该燃料电池的储氢装置的容量V，并存储容量值，其中步骤(e)位于所述步骤(a)之前。
CN201810434220.3A 2018-02-02 2018-05-08 氢燃料电池及其供电时间估计系统和方法 Active CN110137531B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2018101061528 2018-02-02
CN201810106152 2018-02-02

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110137531A CN110137531A (zh) 2019-08-16
CN110137531B true CN110137531B (zh) 2023-11-17

Family

ID=67568115

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810434220.3A Active CN110137531B (zh) 2018-02-02 2018-05-08 氢燃料电池及其供电时间估计系统和方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110137531B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112803044B (zh) * 2020-12-31 2022-04-08 上海捷氢科技股份有限公司 一种燃料电池的氢控制方法及系统
CN113085662A (zh) * 2021-03-29 2021-07-09 永安行科技股份有限公司 基于燃料压力的氢燃料电池电堆的供电方法、系统及氢燃料电动车

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080004967A (ko) * 2006-07-07 2008-01-10 현대자동차주식회사 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 시스템 및 방법
CN101326667A (zh) * 2005-12-12 2008-12-17 丰田自动车株式会社 燃料电池系统及移动体
CN102097636A (zh) * 2011-01-07 2011-06-15 武汉理工大学 一种燃料电池系统的故障诊断装置及方法
CN102156020A (zh) * 2011-03-28 2011-08-17 同济大学 燃料电池系统估算氢瓶氢气剩余压力的方法及装置
JP2012084285A (ja) * 2010-10-08 2012-04-26 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池発電システム
CN106324511A (zh) * 2016-08-11 2017-01-11 深圳市科比特航空科技有限公司 一种氢燃料无人机及无人机续航时间估算方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101326667A (zh) * 2005-12-12 2008-12-17 丰田自动车株式会社 燃料电池系统及移动体
KR20080004967A (ko) * 2006-07-07 2008-01-10 현대자동차주식회사 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 시스템 및 방법
JP2012084285A (ja) * 2010-10-08 2012-04-26 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池発電システム
CN102097636A (zh) * 2011-01-07 2011-06-15 武汉理工大学 一种燃料电池系统的故障诊断装置及方法
CN102156020A (zh) * 2011-03-28 2011-08-17 同济大学 燃料电池系统估算氢瓶氢气剩余压力的方法及装置
CN106324511A (zh) * 2016-08-11 2017-01-11 深圳市科比特航空科技有限公司 一种氢燃料无人机及无人机续航时间估算方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110137531A (zh) 2019-08-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3498501B1 (en) Tyre monitoring device and method
US8359171B2 (en) Electronic pressure gauge for measuring pressure
CN110137531B (zh) 氢燃料电池及其供电时间估计系统和方法
US9466155B2 (en) System to view automobile diagnostic information
US20200380797A1 (en) Filter element analysis system and associated methods
CN108513274B (zh) 用于控制车辆的电子设备及其操作方法
US20070194936A1 (en) Contactless communication scheme and contactless communication system
US10274350B2 (en) Mobile device and method for meter configuring and data collection
CN105518395A (zh) 空调机控制系统、传感器设备控制方法以及程序
CN105241025A (zh) 空调系统及其控制方法
US9871689B2 (en) Terminal control system with optimized startup timing of each terminal device based on communication times of other terminal devices
US11935337B2 (en) Filter element analysis system and associated methods
CN107666916B (zh) 具有绝对压力传感器的压力系统
CN206797029U (zh) 胎压监测装置
CN113483930A (zh) 碰撞检测装置、分体式配送机器人和碰撞检测方法
JP6579020B2 (ja) ガス充填装置
CN208955113U (zh) 氢燃料电池及其供电时间估计系统
KR102062872B1 (ko) 인공지능형 공압식 방충재의 관리 시스템
US20220231502A1 (en) Sensor device, management system, management server, acceptance inspecting device, method executed by sensor device, and nomenclature plate
CN202597047U (zh) 便携式空压机数字式控制装置
CN106696614A (zh) 胎压监测装置及锁定方法
CA3224465A1 (en) Cost effective pressure sensors for gas meters
US9939327B2 (en) Method and apparatus to dynamically control how often temperature readings are received
CN208240056U (zh) 用于气体燃料电池的燃料箱及其属性检测系统
US20220105758A1 (en) Indicating errors in a tire monitoring system

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant