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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen ein System und ein Verfahren zum Überwachen von Zellspannungen von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel und insbesondere ein System und ein Verfahren zum Überwachen der Zellspannungen von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel, welcher ein Bereitstellen von Kalibrierungsimpulsen vor Zellspannungsmessimpulsen in einem modulierten Zellspannungssignal, in dem die Impulsweite der Kalibrierungsimpulse eine bekannte Spannung, zu der die Zellspannungen proportional sind, bereitstellt, und wobei die Kalibrierungsimpulse eine Startsequenz für die Zellspannungsmessungen bereitstellen, um zu identifizieren, welche Zelle mit welchen Messimpulsen assoziiert ist.
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Erörterung der relevanten Technik
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Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, weil er sauber und weil er zum effektiven Erzeugen von Elektrizität in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Bauteil, das eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyten dazwischen einschließt. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen wandern durch den Elektrolyten zur Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und die Elektronen generieren in der Kathode Wasser. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyten wandern und werden somit durch eine Last zum Bilden von Arbeit geführt, bevor sie zu der Kathode gesandt werden.
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Protonen-Austausch-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) bilden eine allgemeine Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Die PEMFC beinhaltet im Allgemeinen eine Protonen leitende Membran eines festen Polymerelektrolyten, wie eine Perfluorosulfonsäure-Membran. Die Anode und Kathode beinhalten typischerweise, fein verteilte katalytische Partikel, üblicherweise Platin (Pt), das auf Kohlenstoffpartikeln gehalten wird und mit einem Ionomer gemischt ist. Die katalytische Mischung ist auf gegenüberliegenden Seiten der Membran positioniert. Die Kombination der anodenkatalytischen Mischung, der kathodenkatalytischen Mischung und der Membran definieren einen Membran-Elektroden-Aufbau (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Konditionen für einen wirkungsvollen Betrieb.
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Einige Brennstoffzellen sind typischerweise zu einem Brennstoffzellenstapel durch ein serielles Koppeln kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Zum Beispiel kann ein typischer Brennstoffstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt ein Kathoden-Eingangs-Reaktant-Gas, typischerweise einen Luftstrom, der durch den Stapel mittels eines Kompressors gepresst wird. Nicht der gesamte Sauerstoff wird durch den Stapel verbraucht und Teile der Luft werden als ein Kathoden-Abgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapel-Beiprodukt einschließt. Der Brennstoffstapel empfängt auch an der Anode Wasserstoff-Reaktant-Gas, das in die Anodenseite des Stapels fließt. Der Stapel beinhaltet auch Durchflusskanäle, durch die ein kühlendes Fluid fließt.
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Ein Brennstoffzellenstapel schließt eine. Serie von Bipolarplatten ein, die zwischen den unterschiedlichen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die Bipolarplatten beinhalten eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Anoden-Gasdurchflusskanäle werden an der Anodenseite der Bipolarplatten bereitgestellt, was dem Anoden-Reaktant-Gas ermöglicht, zu der entsprechenden MEA zu fließen. Kathoden-Gasdurchflusskanäle werden auf der Kathodenseite der Bipolarplatten bereitgestellt, die dem Kathoden-Reaktant-Gas ermöglichen zu den entsprechenden MEA zu fließen. Eine Endplatte beinhaltet Anoden-Gasdurchflusskanäle und die andere Endplatte beinhaltet Kathoden-Gasdurchflusskanäle. Die Bipolarplatten und Endplatten werden aus einem leitenden Material, wie einem rostfreien Stahl oder einer leitenden Zusammensetzung, hergestellt. Die Endplatten leiten die Elektrizität, die durch die Brennstoffzellen erzeugt wird, aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten beinhalten auch Strömungskanäle, durch die ein kühlendes Fluid fließt.
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Wenn ein Brennstoffzellenstapel altert, wird die Leistungsfähigkeit der unterschiedlichen Zellen in dem Stapel unterschiedlich degradiert als ein Ergebnis unterschiedlicher Faktoren. Es gibt unterschiedliche Gründe für die schwach arbeitenden Zellen, wie ein Verwässern der Zellen, einen Katalysatorverlust usw. Einige sind temporär und andere sind permanent, einige erfordern Wartungsarbeiten und einige erfordern ein Austausch in dem Stapel, um derartige schwach arbeitende Zellen auszuwechseln. Obgleich die Brennstoffzellen elektrisch in Serie gekoppelt sind, vermindert sich die Spannung von jeder Zelle, wenn eine Last an den Stapel angekoppelt wird, unterschiedlich, wobei solche Zellen, die schwach arbeitend sind, niedrigere Spannungen aufweisen. Somit ist es notwendig die Zellspannungen der Brennstoffzellen in einem Stapel zu überwachen, um sicherzustellen, dass die Spannungen der Zellen nicht unter eine vorbestimmte Schwellspannung fallen, um eine Zellspannungspolaritätsumkehr zu vermeiden, die möglicherweise eine permanente Beschädigung der Zelle verursachen kann.
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Typischerweise wird die Ausgangsspannung von jeder Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel derart überwacht, dass das System weiß, ob eine Brennstoffzellspannung zu niedrig ist, was einen möglichen Ausfall anzeigt. Wie technisch verständlich fällt, wenn eine Zelle des Stapels ausfällt, der gesamte Stapel aus, weil alle Brennstoffzellen elektrisch in Serie gekoppelt sind. Bestimmte Abhilfemaßnahmen können bei einem Ausfall einer Brennstoffzelle als temporäre Lösung vorgenommen werden bis das Brennstoffzellenfahrzeug überholt werden kann, wie ein Erhöhen des Wasserstoffdurchflusses und/oder ein Erhöhen der Kathoden-Stöchiometrie.
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Brennstoffzellspannungen werden häufig durch ein Zellspannungsüberwachungs-Subsystem gemessen, das eine elektrische Verbindung zu jeder Bipolarplatte einschließt, oder zu einer Anzahl von Bipolarplatten, in dem Stapel und den Endplatten des Stapels, um ein Spannungspotential zwischen den positiven und negativen Seiten von jeder Zelle zu messen. Deshalb kann ein 400 Zellen-Stapel 401 Leitungen einschließen, die mit dem Stapel verbunden sind. Wegen der Größe der Teile, der Toleranzen der Teile, der Anzahl der Teile usw. ist es unpraktisch eine physische Verbindung zu jeder Bipolarplatte in einem Stapel mit so vielen Brennstoffzellen bereitzustellen und die Anzahl der Teile erhöht die Kosten und vermindert die Zuverlässigkeit des Systems.
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Wie oben erörtert, ist es in der Technik bekannt, die Spannungen der Brennstoffzellen in einem Brennstoffstapel zu bearbeiten, um zu bestimmen, ob der Brennstoffzellenstapel wie gewünscht funktioniert. Manchmal wird die Zellspannungsbearbeitung aufgrund der Kosten, die mit der Überwachung jeder Zelle verbunden sind, für jede zweite Zelle durchgeführt. Weiterhin kann es schwierig sein, die notwendigen Komponenten in dem Raum, der zur Verfügung steht, um jede Zelle zu überwachen, bereitzustellen. Um die Notwendigkeit eines Verbindens von Brennstoffzellenmessschaltungen an einem Brennstoffzellenstapel unter Verwendung einer Vielzahl von verbindenden Leitungen zu eliminieren, ist es wünschenswert, derartige Messschaltungen direkt innerhalb der Struktur des Brennstoffzellenstapels einzubetten. Eine derartig eingebettete Messschaltung würde keine signifikanten Kosten addieren und würde es ermöglichen, jede Brennstoffzelle zu überwachen.
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Die
US Patentanmeldung Nr. 12/840,047 mit dem Titel „Stack-Powered Fuel Cell Monitoring Device With Prioritized Arbitration“, eingereicht am 20. Juli 2010, welche dem Anmelder dieser Anmeldung zugewiesen ist und hierin durch Bezugnahme enthalten ist, offenbart ein System und ein Verfahren zum Überwachen der Zellspannungen von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel. Das System umfasst eine Vielzahl von Spannungssensoren, die mit den Brennstoffzellen in einer Brennstoffzellengruppe gekoppelt sind und eine Vielzahl von Oszillatoren, wobei ein separater Oszillator zu jedem der Sensoren gekoppelt ist. Jeder Oszillator arbeitet bei einer unterschiedlichen Frequenz, wobei höhere Frequenz-Oszillatoren mit Sensoren niedriger Priorität gekoppelt sind und niedrigere Frequenz-Oszillatoren mit Sensoren höherer Priorität gekoppelt sind. Das System schließt auch eine Lichtquelle ein, wie eine LED, die Frequenzsignale von den Oszillatoren empfängt, wobei die Lichtquelle in Reaktion auf die Frequenzsignale ein- und ausschaltet, und wobei niedrigere Frequenzsignale das Schalten der Lichtquelle dominieren. Eine Lichtleitung empfängt die geschalteten Lichtsignale von der Lichtquelle und liefert Lichtsignale bei einer bestimmten Frequenz am Ende der Lichtleitung. Ein Photodetektor erfasst die Lichtsignale am Ende der Lichtleitung.
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Das System, das in der '047 Anmeldung zum Überwachen der Zellspannung offenbart wird, hat Grenzen in der Genauigkeit des Bereitstellens der Zellspannung, wie auch die meisten anderen bekannten Zellspannungsüberwachungssysteme. Mit dem Fortschritt der Brennstoffzellenindustrie ist es wünschenswert, mindestens eine 10-15 mV Auflösungsgenauigkeit für die gemessenen Spannungen der Brennstoffzellen bereitzustellen. Bisher ist dieser Grad der Genauigkeit unter Verwendung von Standardautomobil-Sensoren und Teilen schwierig zu erreichen. Wenn die Zellspannungen nicht genau dargestellt werden, wird die Reglung der unterschiedlichen Brennstoffzellensystembetriebe in ihrer Genauigkeit begrenzt, was eine niedrigere System-Leistungsfähigkeit, Ineffizienzen, Zelldegradationen usw. ergeben kann. Weiterhin ermöglichten frühere Zellspannungsüberwachungssysteme typischerweise dem Überwachungsgerät, eine Minimum-Zellspannung, eine Maximum-Zellspannung und eine mittlere Zellspannung zu identifizieren und waren dennoch nicht in der Lage zu identifizieren, welche Spannung zu welcher Zelle gehört. Es wäre vorteilhaft, diese Information zu haben, so dass ein Techniker eine spezifische Zelle, die ausgefallen sein kann, identifizieren kann. Die Druckschrift
US 2012/0019255 A1 beschreibt ein System zur Überwachung einer Gruppe von Brennstoffzellen mit einer Vielzahl von Sensoren zur Überwachung unterschiedlicher Spannungen der Brennstoffzellen und mit einer Lichtquelle, welche Frequenzsignale von mit den Sensoren gekoppelten Oszillationen empfängt und in Abhängigkeit von den Frequenzsignalen an- und ausgeht. Die Druckschrift
US 2011/0200913 A1 beschreibt einen Stapel von Brennstoffzellen mit einer Vielzahl von bipolaren Platten und mit einem zwischen den Platten angeordneten Messschaltkreis.Die Druckschrift
US 2004/0028967 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einem Detektor zur Messung eine Karbonmonoxid-Konzentration, wobei der Detektor eine elektrolytische Membran mit wasserstoffionischer Leitfähigkeit umfasst.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren offenbart zum Bereitstellen von Kalibrierungssynchronisationsimpulsen in einem Pulsweitenmodulations-(PWM) Signal, das Zellspannungsmessimpulse einschließt, um einem Brennstoffzellspannungsüberwachungssystem zu ermöglichen, die gemessene Zellspannung zu identifizieren und Kalibrierungsimpulsweiten bereitzustellen, die gegenüber allen Spannungsmessungen der Zellen relativiert sind. Das Verfahren beinhaltet ein Bereitstellen einer Sequenz von Spannungssignalen, die repräsentativ für die Spannungen der Brennstoffzellen in einer Brennstoffzellengruppe sind, wobei die Sequenz der Spannungssignale in einer Anordnung einer Position der Brennstoffzellen in der Gruppe bereitgestellt werden. Das Verfahren schließt auch ein Bereitstellen einer Sequenz von Synchronisations- und Kalibierimpulsen, die eine vorbestimmte Spannung definieren, und ein Kombinieren der Sequenz der Spannungssignale und der Sequenz der Synchronisations- und Kalibrierungsimpulse ein, so dass die Synchronisations- und Kalibrierungsimpulse vor dem Spannungssignal einer ersten Zelle in der Gruppe bereitgestellt sind. Das Verfahren moduliert die kombinierte Sequenz der Spannungssignale und der Sequenz der Synchronisations- und Kalibrierungsimpulse, um ein Impulsweitenmodulations- (PWM) Signal zu erzeugen, wobei Weiten der Impulse , welche die Spannungssignale zu dem PWM-Signal repräsentieren, proportional zu einer Weite der Impulse, welche die Synchronisations- und Kalibrierungsimpulse in dem PWM-Signal darstellen, sind.
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Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden deutlicher durch die nachfolgende Beschreibung und die anhängenden Ansprüche in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems;
- 2 ist ein Graph mit der Zeit auf der horizontalen Achse und einer Größe auf der vertikalen Achse, der ein PWM-Signal zeigt, das Kalibrierungsimpulse und Zellspannungsimpulse einschließt;
- 3 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Schaltung zum Bereitstellen der Referenzimpulse; und
- 4 ist ein Graph mit der Zeit auf der horizontalen Achse und einer Größe auf der vertikalen Achse, der einen Vergleich zwischen einem Zellspannungsmesssignal, welches Kalibrierungsimpulse enthält, einem Sägezahnvergleichssignal und einem LED-Ausgabesignal zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Erörterung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren gerichtet ist, um eine Sequenz von Kalibrierungsimpulsen für ein Zellüberwachungssignal bereitzustellen, ist lediglich exemplarischer Natur und es ist in keiner Weise beabsichtigt, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen zu begrenzen.
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1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems
10, das einen Brennstoffzellenstapel
12 einschließt, der eine Vielzahl von gestapelten Brennstoffzellen
14 aufweist. In dieser nicht begrenzenden Ausführungsform beinhaltet der Brennstoffzellenstapel
12 Gruppen von Zellen, um den Brennstoffzellenstapel
12 zu bilden. Das Brennstoffzellensystem
10 beinhaltet auch eine Stapelschnittstelle
16, die eine Vielzahl von Verbindungselementen
18 aufweist, die in elektrischem Kontakt mit den Bipolarplatten
20 montiert sind, welche die Brennstoffzellen
14 in dem Brennstoffzellenstapel
12 voneinander trennen. In einer nicht begrenzten Ausführungsform beinhalten die Stapelschnittstellen
16 siebzehn der Verbindungselemente
18, um zu ermöglichen, dass ein Spannungspotential über den sechzehn Brennstoffzellen
14 bereitgestellt wird. Um somit jede einzelne der Brennstoffzellen
14 in dem Stapel
12 zu messen, würde das System
10 zwanzig der Stapelschnittstellen
16 einschließen, wobei eine Stapelschnittstelle
16 für jede Gruppe von sechzehn Brennstoffzellen
14, die zu überwachen sind, bereitstellt. In einer Ausführungsform ist die Stapelschnittstelle
16 eine eingebettete Schnittstelle, die einen Teil des Brennstoffstapels
12 ist, obgleich andere Arten der Schnittstellen genauso anwendbar sein können. Ein Beispiel von einer eingebetteten Schnittstelle, die für diesen Zweck geeignet ist kann in der
US Patentanmeldung Nr. 12/707,572 gefunden werden, die am 17. Februar
2010 angemeldet wurde, mit dem Titel „Plate Interconnect Method for an Embedded Fuel Cell Sensor“, welche dem Anmelder dieser Anmeldung zugewiesen ist und hierin durch Bezugnahme enthalten ist.
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Das Brennstoffzellensystem 10 schließt auch ein Zellspannungsüberwachungs-Subsystem 26 ein, das eine Zellspannungsmessschaltung 28 und eine Empfängerschaltung 30 einschließt. In der nicht begrenzten Ausführungsform, die hier erörtert wird, würde das Zellspannungsüberwachungs-Subsystem 26 die Zellspannungsmessschaltung 28 einschließen, und zwar eine für jede der Schnittstellen 16. Eine Vielzahl von Leitungen 32 erstreckt sich von der Schaltung 28, wo eine der Leitungen 32 elektrisch mit jedem Verbindungselement 18 in der Schnittstelle 16 gekoppelt ist. Auf entgegen gesetzten Enden von jeder Leitung 32 ist ein Multiplexer 34 gekoppelt, der selektiv zwei Spannungspotentialsignale von den Schnittstellenverbindungselementen 18 an einen instrumentellen Verstärker 38 zu jedem gegebenen Zeitpunkt bereitstellt, wobei eines der Signale ein Referenzpotential ist, um die Differenz zwischen den Signalen zu verstärken und das Zellspannungsmesssignal in einer Anordnung, in der die Zellen 14 in dem Stapel 12 positioniert sind, bereitzustellen. Eine Zählerschaltung 36 stellt Sequenzsignale für den Multiplexer 34 bereit, um den Multiplexer 34 zu veranlassen, selektiv und sequenziell von einer der Leitungen 32 zu der nächsten der Leitungen 32 zu schalten. Der Ausgang des Multiplexers 34 wird mit 38 verstärkt, so dass das Signal eine Größe aufweist, welche die Spannung der einzelnen Zelle 14, die gemessen wurde, identifiziert. Das verstärkte Zellspannungssignal wird zu einem Komparator 40 geliefert, der das Signal mit einer invertierten Sägezahnwelle vergleicht, die durch einen Sägezahnwellengenerator 42 bereitgestellt wird, wobei die Ausgabe des Komparators 40 ein Pulsweitenmodulations- (PWM) Signal ist, und wobei die Weite des Impulses die Zellspannung definiert, wie es weiter unten im Detail erörtert wird. Das PWM-Signal wird an eine LED 44 geliefert, welche ein optisches Signal 46 erzeugt, das eine Ein/Aus-Zeit, die durch die Impulse bestimmt ist, aufweist. Eine Stromversorgung 48 stellt eine stabile Stromquelle für die Schnittstelle 16 und die LED 44 bereit.
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Die Zellspannungsmessschaltung 28 misst, wie es in der Technik bekannt ist, in der Art wie es erörtert wurde, sequentiell die Spannung der Zellen 14 in der Anordnung in der Zellengruppe und, wenn die letzte Zellspannung gemessen ist, fährt die Sequenz zurück zu der ersten Zelle in der Gruppe, die zu messen ist, und fährt in dieser Weise mit einer Rate fort, die durch den Sägezahngenerator 42 eingestellt wird. Die vorliegende Erfindung liefert eine Serie von Synchronisations- oder Kalibrierungsimpulsen, die in das PWM-Signal eingeführt werden, nachdem die letzte Zelle gemessen worden ist, so dass es eine Anzeige liefert, dass die erste Zelle in der Gruppe jetzt wieder gemessen wird.
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Wie erwähnt liefert die Zellspannungsüberwachungsschaltung 28 zum Verbessern der Genauigkeit der Zellspannungsmessungen, die durch die Schnittstelle 16 bereitgestellt wird, eine Sequenz von Kalibrierungs- und Synchronisationsimpulsen in dem PWM-Signal von dem Komparator 40, was ermöglicht die einzelne Zelle 14 zu überwachen und zu identifizieren, und liefert eine Kalibrierungsimpulsweite, welche eine Spannung identifiziert, mit welcher die Spannungsmessungen der Zelle 14 verglichen werden. Die Weite des Kalibrierungsimpulses wird so gewählt, dass die Größe der Spannung, die sie repräsentiert, oder die Impulsweite, außerhalb von jeder möglichen Spannung der Zellen 14 liegt. Zusätzlich ermöglicht ein Bereitstellen von Impulsen einer bekannten Größe, in diesem Beispiel symmetrisch zu dem Nullpunkt, dem System 10, die Impulsweite als einen Kalibrierungswert für die Zellspannungsmessung zu verwenden. Wenn mehr als eine Impulsweite desselben Wertes bereitgestellt wird, kann das System 10 auswählen, den Wert der Kalibrierungsimpulse zu mitteln, was weiterhin den Messfehler reduziert. Das Bereitstellen der Systemkalibrierungswerte ermöglicht eine signifikante Variabilität in der Komponentengenauigkeit und eine Variabilität in der Menge des Lichtes, das von dem Empfänger ohne Einführen irgendeines Messfehlers empfangen wird.
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2 ist ein Graph mit der Zeit auf der horizontalen Achse und einer Größe auf der vertikalen Achse, der ein PWM-Signal 60 von der Art zeigt, die von dem Komparator 40 ausgegeben wird. Das PWM-Signal 60 schließt vier Synchronisationsimpulse 64 ein, wobei die Impulse 62 vor den Synchronisationsimpulsen 64 Zellspannungsmessimpulse sind, die am Ende der Gruppe der Zellen 14 und der Impulse 62 nach den Synchronisationsimpulsen 64 Zellspannungsmessimpulse sind, die zu Beginn der Gruppe der Zellen 14 bereitgestellt werden. Die Impulse wurden moduliert durch die Sägezahnwelle, so dass die Impulsweite die Spannung der einzelnen Zelle 14 definiert. In dieser nicht begrenzten Ausführungsform beinhalten die Synchronisationsimpulse hohe Spannungssynchronisationsimpulse 66, die durch enge Impulsweiten repräsentiert werden, und niedrige Spannungssynchronisationsimpulse 68, die durch weite Impulsweiten repräsentiert werden. Die Art, in der die Hochspannung enge Impulse aufweist und die niedrige Spannung weite Impulse aufweist, wird unten beschrieben.
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Die Synchronisationsimpulse 64 liefern einen Startrahmen (SOF) von Referenzmustern, die, wenn sie dekodiert sind, ein Anzeichen bereitstellen, dass die erste Zelle 14 in der Gruppe der Zellen als nächstes gemessen wird. Das Format oder die Muster der Synchronisationsimpulse 64 ist in dieser Ausführungsform ein hoher Impuls gefolgt von einem niedrigen Impuls, gefolgt von einem hohen Impuls und dann gefolgt von einem niedrigen Impuls (H-L-H-L). Diese Muster wurde speziell ausgewählt, um eine definierte Sequenz der Synchronisationsimpulse 64 bereitzustellen, die sehr unwahrscheinlich in der aktuellen Spannungsmessung der Zelle 14 auftritt, somit ein gutes Kennzeichen liefern, dass die Impulse die Synchronisationsimpulse 64 sind. Die Synchronisationsimpulse 64 werden immer vier Impulse in einer Ausführungsform aufweisen, werden immer das Muster H-L-H-L haben und die Impulsweite der Pulse für hohen Impulse und die niedrigen Impulse werden immer die gleichen sein. Die Impulsweite der Impulse 62 wird durch die aktuelle Spannung der Zelle 14 erzeugt, wie es unten im Detail erörtert wird.
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Wie erwähnt ist die Weite der Synchronisationsimpulse 64 so gewählt, dass die Spannung die sie darstellen außerhalb der möglichen Spannung liegt, die irgendeine der Zellen 14 haben könnte. In einem nicht begrenzenden Beispiel wird die Weite der hohen Spannungsimpulse 66 bei 1,235 V repräsentiert und die Weite der niedrigen Spannungsimpulse 68 bei -1,235 V repräsentiert. Die Weite der Kalibrierungsimpulse 64 liefert eine Kalibrierungsspannung, mit der aktuelle Zellspannungsmessimpulse verglichen werden können, wobei die Proportionalität der Weite zwischen den Impulsen die aktuelle Spannung identifiziert. Durch Bereitstellen eines Kalibrierungsimpulses, zu dem die anderen Impulse relativiert werden, basiert die aktuelle Zellspannungsmessung nicht auf einer absoluten Spannungsmessung, was ermöglicht, weniger teure Komponenten für die Datenverarbeitung einzusetzen. Wie im Detail unten erörtert wird, erzeugt die Modulation, die durch die Sägezahnwelle bereitgestellt wird, ein PWM-Signal 60, so dass die hohe Spannung eine enge Impulsweite und die niedrige Spannung eine weite Impulsweite aufweist.
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Der Kalibrierungsimpuls 64 kann in das PWM-Signal 60 in einer geeigneten Weise injiziert werden. In dem System 10 wird eine Referenzschaltung 50 bereitgestellt, welche die sequenzierten Werte generiert, welche zu modulierten Kalibrierungsimpulse 64 werden. Die Zählerschaltung 36 sequenziert die Signale von der Referenzschaltung 50 in einen Messstrom, nachdem die letzte Zelle 14 in der Gruppe gemessen ist. 3 ist ein schematisches Blockdiagramm der Referenzschaltung 50. Eine Kalibrierungsspannung Vcal von 1,235 V in diesem nicht begrenzendem Beispiel wird durch eine Serie von Anschlussstiften auf der Leitung 52 zu dem Multiplexer geliefert, der die Spannungswerte in Sequenz dem Verstärker 38 und dann dem Komparator 40 präsentiert. Die Unterscheidung zwischen hohen und niedrigen Kalibrierungsimpulsen wird durch eine Modulation unter Verwendung der invertierten Sägezahnwelle bereitgestellt.
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Die Kalibrierungsimpulse 64 ermöglichen die Spannungsmessungen in diesem Beispiel 250 Mal pro Sekunde zu kalibrieren. Mit anderen Worten wird die Größe der Zeit, in der der Impuls hoch ist, verglichen mit dem Hochspannungskalibrierungsimpuls 66, der die Spannungsmessung angibt, geringer sein als dieser Wert. Weil die Sequenz der Impulse 64 einen Start für die nächste Messung der Brennstoffzellen 14 signalisiert und diese Messungen in der Ordnung der Zellen 14 in dem Stapel 12 durchgeführt werden, identifiziert jeder Impuls speziell, welche Zelle 14 in der Gruppe der Zellen, die überwacht werden, mit diesem Impulse assoziiert ist.
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4 ist ein Graph mit der Zeit auf der horizontalen Achse und einer Größe auf der vertikalen Achse, der eine Beziehung zwischen den Eingängen des Komparators 40 zum Bereitstellen der Modulation der Zellspannungsmesssignale und dem optischen Signal 46, das durch die LED 44 ausgegeben wird, zeigt. Im oberen Bereich der 4 wird eine Sägezahnwelle 70 von einem Sägezahngenerator 42 gezeigt, die mit einem Spannungssignal 72 von dem instrumentellen Verstärker 38 überlagert wird. Der Abschnitt 74 des Signals 72 umfasst vier Recheck-Wellenimpulse, die durch die Referenzschaltung 50 bereitgestellt werden, wenn sie durch die Sägezahnwelle 70 moduliert sind, welche die H-L-H-L Impulssequenz, wie sie in 2 gezeigt wird, für die hohen Spannungsimpulse 66 und die niedrigen Spannungsimpulse 68 bereitstellt. Der positive Abschnitt 76 der Rechteck-Wellenimpulse wird zu den hohen Spannungskalibrierungsimpulsen 66 mit enger Pulsweite werden und die negativen Abschnitte 78 der Rechteck-Wellenimpulse wird zu den niedrigen Spannungskalibrierungsimpulsen 68 mit weiter Pulsweite werden.
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Wenn die Sägezahnwelle 70 größer in ihrer Größe ist als das Signal 72, gibt der Komparator ein hohes Signal aus, was die LED 44 veranlasst, geschaltet zu werden und das optische Signal 46 zu erzeugen. Dieses wird durch den unteren Abschnitt des Graphen gezeigt, wobei 1 repräsentiert, dass die LED 44 eingeschaltet ist, und 0 repräsentiert, dass die LED 44 ausgeschaltet ist. Insbesondere optische Impulse 80 repräsentieren die Hochspannungskalibrierungsimpulse 66, die optischen Impulse 82 repräsentieren die Niedrigspannungskalibrierungsimpulse 68 und optischen Impulse 86 repräsentieren die Spannungsmessimpulse, wobei die Abschnitte 84 in dem Signal 72 die Spannungsmessung der speziellen Zelle 14, die gemessen wurde, repräsentiert. Wie offensichtlich ist es der Winkel, der durch die invertierte Sägezahnwelle 70 bereitgestellt wird, der die Modulation der Weite der Impulse erzeugt relativ zu der Größe der Spannungsmessung der Signale. Deshalb sind die LED-Impulse enger für eine hohe Spannung als sie es für die niedrige Spannung in der Kalibrierungsstartrahmensequenz sind. Insbesondere, wenn die Größe des Impulses 84 ansteigt, wird es durch einen engeren Teil der Sägezahnwelle 70 bedeckt, was einen engeren Impuls in dem LED-Signal erzeugt. Folglich je größer die Größe der Abschnitte 84, die durch eine höhere Spannung der einzelnen Zelle 14, die gemessen wurde, repräsentiert wird, je enger wird der Impuls für die Spannungsmessung, welche eine höhere Spannung repräsentiert.
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Die Empfangsschaltung 30 schließt eine Serie von Empfangskanälen 90 ein, wobei es einen einzigen Kanal 90 für jede der zwanzig Zellspannungsmessschaltungen 28 gibt. Jeder Kanal 90 schließt eine Photodiode 92 ein, welche die optischen Signale 46 empfängt, und einen Trans-Impedanz-Verstärker 94, der den Diodenstrom in eine repräsentative Spannung konvertiert. Das Spannungssignal von dem Verstärker 94 wird dann zu einem Komparator 96 gesandt, um sicherzustellen, dass es innerhalb eines Bereichs ist, und, wenn es so ist, wird es dann zu einer Haupt-CPU 98 gesandt, welche die Signale von all den Kanälen 90 empfängt. Die CPU 98 empfängt die Ein/Aus-Sequenz des Spannungssignals, um den Kalibrierungsimpuls 64 zu identifizieren so dass jede neue Gruppe der aktuellen Spannungsmesssignale erneut auf der Start-Kalibrierungssequenz von jeder Messung kalibriert wird. Die CPU 98 verwendet die Weite der Spannungsimpulse, die dekodiert wurde, um eine Minimum-Zellspannung, eine Maximum-Zellspannung, eine mittlere Zellspannung und die aktuelle Spannung von jeder Zelle zu identifizieren. Diese Information wird einem dualen CAN 100 bereitgestellt, das die Information an einen Fahrzeug-Bus über eine serielle Schnittstellenschaltung (SIU) 102 und dann eine ECU (nicht gezeigt) liefert, die das Brennstoffzellensystem 10 steuert, wie ein Steuern der reaktanten Flussrate, der relativen Feuchte des Stapels usw. Die Kanten-zu-Kanten-Zeit des PWM-Signals 60 übersteigt nicht die Fähigkeit der Zeiterfassungseinheit in der CPU 98.
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Die vorhergehende Erörterung offenbart und beschreibt nur exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann der Technik wird bereits durch diese derartige Erörterung und durch die begleitenden Zeichnungen und Ansprüche erkennen, dass unterschiedliche Änderungen, Modifikationen und Variationen durchgeführt werden können, ohne sich von dem Geist und dem Rahmen der Erfindung, wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist, zu entfernen.
