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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zum Überwachen der Zellspannungen von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Überwachen der Zellspannungen von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel, das das Bereitstellen von Kalibrierpulsen vor den Zellspannungsmessungspulsen in einem modulierten Zellspannungssignal aufweist, wobei die Kalibrierpulse einen Start von einer Rasterfolge, definiert durch ein Hochspannungs - Niederspannungs - Hochspannungs - Niederspannungsmuster, beinhalten, welche nicht durch gewöhnliche Zellspannungsmessungen reproduziert werden können.
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2. Diskussion des Standes der Technik
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Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Treibstoff, da er sauber ist und effizient dazu genutzt werden kann, um Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist ein elektrochemisches Gerät, das eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyten zwischendrin beinhaltet. 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 gelangen durch den Elektrolyten an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und die Elektronen in der Kathode erzeugen Wasser. Die Elektronen aus der Anode können nicht in den Elektrolyten gelangen und demzufolge werden diese über eine Last geleitet, um Arbeit auszuführen, bevor sie an die Kathode gesendet werden.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC beinhalten eine feste Polymerelektrolytmembran, die Protonen leitet, wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode beinhaltet typischerweise fein verteilte Katalysatorteilchen, gewöhnlicherweise Platin (Pt), welches auf Kohlenstoffteilchen gelagert ist und mit einem Ionomer vermischt ist. Die Katalysatormischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran angeordnet. Die Kombination der Anodenkatalysatormischung, der Kathodenkatalysatormischung und der Membran definieren eine Membranelektrodenanordnung (MEA). Membranelektrodenanordnungen sind relativ aufwändig herzustellen und erfordern gewisse Bedingungen für ihren effektiven Betrieb.
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Mehrere Brennstoffzellen werden typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel über eine Reihenschaltung kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen umfassen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt am Kathodeneingang ein Reaktionsgas, typischerweise einen Luftfluss, der durch den Stapel über einen Kompressor geleitet wird. Nicht der gesamte Sauerstoff wird vom Stapel aufgebraucht und etwas an Luft wird als Kathodenabgas abgelassen, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthält. Der Brennstoffzellenstapel empfängt auch ein Anodenwasserstoff-Reaktionsgas, das in die Anodenseite des Stapels fließt. Der Stapel beinhaltet des weiteren Durchflusskanäle, durch welche eine Kühlflüssigkeit fließt.
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Der Brennstoffzellenstapel beinhaltet eine Serie von bipolaren Platten, die zwischen verschiedenen Membranelektroden-Anordnungen im Stapel angeordnet sind, wobei die bipolaren Platten und die Membranelektrodenanordnungen zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die bipolaren Platten beinhalten eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen im Stapel. Anodengasflusskanäle werden auf der Anodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, um das Anodenreaktionsgas an die jeweiligen Membranelektrodenanordnungen fließen zu lassen. Kathodengasflusskanäle werden auf der Kathodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, die es gestatten, dass das Kathodenreaktionsgas in die jeweiligen Membranelektroden-Anordnungen fließt. Eine Endplatte beinhaltet Anodengasflusskanäle und die andere Endplatte beinhaltet Kathodengasflusskanäle. Die bipolaren Platten und Endplatten werden aus leitfähigem Material, beispielsweise einem rostfreien Stahl oder einer leitfähigen Komponente gebildet. Die Endplatten leiten die Elektrizität aus dem Stapel heraus, die innerhalb der Brennstoffzellen erzeugt wurde. Die bipolaren Platten beinhalten Durchflusskanäle, durch welche eine Kühlflüssigkeit fließt.
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Mit der Alterung eines Brennstoffzellenstapels nimmt die Leistungsfähigkeit der einzelnen Zellen im Stapel aus verschiedenen Gründen unterschiedlich ab. Es gibt verschiedene Gründe für schlecht funktionierende Zellen, beispielsweise ein Zellenfluten, einen Verlust an Katalysator, etc., wobei einige temporär und einige permanent sind, einige eine Pflege benötigen und einige es benötigen, dass Zellen aus dem Brennstoffzellenstapel wegen der schlechten Leistungsfähigkeit ersetzt werden. Obwohl die Brennstoffzellen elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind, nimmt die Spannung über jede Zelle unterschiedlich ab, sobald eine Last über den Stapel geschaltet wird, wobei die Zellen, welche Zellen mit einer niedrigen Leistungsfähigkeit sind, eine niedrigere Spannung aufweisen. Demzufolge ist es notwendig, die Zellspannungen der Brennstoffzellen in dem Stapel zu überwachen, um sicherzustellen, dass die Spannungen der Zellen nicht unter einen bestimmten Schwellspannungswert abfallen, um zu verhindern, dass eine Zellspannungspolaritätsumkehr stattfindet, die möglicherweise die Zelle dauerhaft schädigt.
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Typischerweise wird der Spannungsausgang für jede einzelne Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel überwacht, so dass das System weiß, falls eine Brennstoffzellenspannung zu niedrig ist, was einen möglichen Ausfall indiziert. Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, da alle Brennstoffzellen miteinander elektrisch in Reihe geschaltet sind, dass wenn eine der Brennstoffzellen in dem Stapel ausfällt, dass dann der gesamte Stapel ausfallen wird. Es können gewisse Heilungsaktionen für eine ausfallende Brennstoffzelle als eine temporäre Lösung unternommen werden, bis das Brennstoffzellenfahrzeug zur Wartung gebracht werden kann, beispielsweise das Steigern des Flusses an Wasserstoff und/oder das Steigern der Kathodenstöchiometrie.
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Brennstoffzellenspannungen werden oft über ein Zellspannungsüberwachungssubsystem gemessen, das eine elektrische Verbindung mit jeder bipolaren Platte oder mit einer gewissen Anzahl von bipolaren Platten in dem Stapel und den Endplatten des Stapels beinhaltet, um ein Spannungspotential zwischen den positiven und negativen Seiten für jede Brennstoffzelle zu messen. Demzufolge kann ein Stapel mit 400 Zellen 401 Drähte beinhalten, die mit dem Stapel verbunden sind. Auf Grund der Größe der Teile, der Toleranz der Teile, der Anzahl der Teile, etc., kann es unpraktisch sein, eine physische Verbindung mit jeder einzelnen bipolaren Platte in einem Stapel mit dieser Vielzahl von Brennstoffzellen herzustellen, und die Anzahl der Teile steigert die Kosten und reduziert die Verlässlichkeit des Systems.
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Wie oben diskutiert ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Spannungen der Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel zu prozessieren, um zu bestimmen, ob der Brennstoffzellenstapel wie gewünscht funktioniert. Manchmal wird das Prozessieren der Zellspannung nur an einigen Zellen durchgeführt, da die Kosten, die damit verbunden sind, jede Zelle zu verbinden, zu hoch sind. Darüber hinaus kann es schwierig sein, die notwendigen Komponenten in dem verfügbaren Bauvolumen bereitzustellen, um jede einzelne Zelle zu überwachen. Um dieses Bedürfnis zu eliminieren, Brennstoffzellmesskreise für einen Brennstoffzellenstapel unter Verwendung von einer Vielzahl von Verbindungsdrähten zu verbinden, ist es wünschenswert, Messkreise direkt innerhalb der Struktur der Brennstoffzellenstapelanordnung zu integrieren. So ein integrierter Messkreis würde nicht zu signifikanten Kosten führen und würde es gestatten, dass jede einzelne Brennstoffzelle überwacht werden könnte.
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Die
US 2012/ 0 019 255 A1 mit dem Titel „Überwachungsgerät für Brennstoffzellenstapel mit priorisierter Zuteilung“ offenbart ein System und ein Verfahren zum Überwachen der Zellspannungen von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel. Das System beinhaltet eine Vielzahl von Spannungssensoren, die mit den Brennstoffzellen in einer Brennstoffzellengruppe gekoppelt sind und eine Vielzahl von Oszillatoren, wobei ein separater Oszillator mit jedem der Sensoren gekoppelt ist. Jeder Oszillator arbeitet auf verschiedenen Frequenzen, wobei Oszillatoren mit höherer Frequenz zu Sensoren mit geringerer Priorität gekoppelt sind und Oszillatoren mit niedrigerer Frequenz mit Sensoren mit höherer Priorität gekoppelt sind. Das System beinhaltet eine Lichtquelle, beispielsweise eine LED, die Frequenzsignale aus den Oszillatoren empfängt, wobei die Lichtquellenschalter „an“ oder „aus“ sind in Antwort auf Frequenzsignale und wobei niedrigere Frequenzsignale das Schalten der Lichtquelle dominieren. Ein Lichtleiter empfängt die geschalteten Lichtsignale aus der Lichtquelle und stellt Lichtsignale auf einer bestimmten Frequenz an einem Ende des Lichtleiters bereit. Ein Photodetektor detektiert die Lichtsignale an dem Ende des Lichtleiters.
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Das aus der
US 2012/ 0 019 255 A1 bekannte System zum Überwachen der Zellspannung hat Grenzen beim exakten Bereitstellen der Zellspannung, wie das auch bei anderen bekannten Zellspannungsüberwachungssystemen der Fall ist. Da die Brennstoffzellentechnologie fortschreitet, ist es wünschenswert, zumindest eine Auflösungsgenauigkeit von 10-15 mV bei gemessenen Spannungen aus den Brennstoffzellen bereitzustellen. Bis jetzt war es schwierig, diesen Grad an Genauigkeit bei Verwendung von Standard-Automobilsensoren und Teilen zu erzielen. Falls die Zellspannungen nicht genau dargestellt werden können, ist die Regelung der verschiedenen Brennstoffzellensystemoperationen in ihrer Genauigkeit begrenzt, was wiederum in eine niedrigere Systemleistungsfähigkeit, Ineffizienzen, Zellalterung, etc. münden wird. Darüber hinaus gestatteten bekannte Zellspannungsüberwachungssysteme typischerweise, dass das Überwachungssystem eine minimale Zellspannung, eine maximale Zellspannung und eine mittlere Zellspannung identifiziert, aber diese Systeme waren nicht dazu in der Lage zu identifizieren, welche Spannung mit welcher Zelle assoziiert war. Es wäre demnach vorteilhaft, diese Information zu haben, so dass ein Techniker eine spezifische Zelle identifizieren könnte, die ausfallen könnte.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen von Kalibrier- und Synchronisierpulsen in einem Pulsweiten-modulierten Signal (PWM) offenbart, das Zellspannungsmesspulse beinhaltet, wobei die Kalibrierpulse vier Kalibrierpulse sind, die ein Muster von einem schmalbandigen Hochvoltpuls, gefolgt bei einem breitbandigen Niedervoltpuls, gefolgt bei einem schmalbandigen Hochvoltpuls, gefolgt bei einem breitbandigen Niedervoltpuls sind, die eine sehr niedrige Wahrscheinlichkeit für das Auftreten in einem tatsächlich funktionierenden Brennstoffzellensystem aufweisen. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen einer Sequenz von Spannungssignalen, die für die Spannung der Brennstoffzellen in einer Brennstoffzellengruppe repräsentativ sind, wobei die Sequenz der Spannungssignale in einer Abfolge der Position der Brennstoffzellen in der Gruppe bereitgestellt wird. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen einer Sequenz von Kalibrierpulsen und das Kombinieren der Sequenz von Spannungssignalen und der Sequenz von Kalibrierpulsen, so dass die Kalibrierpulse vor einem Spannungssignal einer ersten Zelle in der Gruppe bereitgestellt werden. Das Verfahren moduliert die kombinierte Sequenz der Spannungssignale und der Kalibrierpulse unter Verwendung einer invertierten Sägezahnspannung, um das PWM-Signal bereitzustellen, wobei eine Weite der Pulse, welche die Spannungssignale darstellt, proportional zu einer Weite der Pulse ist, welche die Kalibrierpulse darstellen.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren ersichtlich.
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Figurenliste
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- 1 ist ein schematisches Blockdiagramm für ein Brennstoffzellensystem;
- 2 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und die Größe auf der vertikalen Achse abgetragen sind, die ein PWM-Signal zeigt, das Kalibrierpulse und Zellspannungspulse beinhaltet;
- 3 ist ein schematisches Blockdiagramm für einen Schaltkreis zum Bereitstellen der Referenzpulse; und
- 4 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und die Größe auf der vertikalen Achse abgetragen ist, welches einen Vergleich zwischen einem Zellspannungsmesssignal, welches Kalibrierpulse und ein Sägezahnvergleichssignal beinhaltet, und einem LED-Ausgangssignal zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Überwachen von Zellspannungen in einem Brennstoffzellenstapel gerichtet ist, das eine Frequenz von Kalibrierpulsen in einem Pulsweiten-modulierten Signal (PWM) ist, beinhaltet Zellspannungsmesspulse, wobei die Kalibrierpulse ein Pulsmuster mit einer Hochspannung - einer Niederspannung - einer Hochspannung - einer Niederspannung aufweisen.
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1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm für ein Brennstoffzellensystem 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 12 mit einer Vielzahl von gestapelten Brennstoffzellen 14. In dieser nicht einschränkenden Ausführungsform beinhaltet der Brennstoffzellenstapel 12 Gruppen von Zellen, um den Brennstoffzellenstapel aufzubauen. Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet eine Stapelverbindung 16 mit einer Vielzahl von Anschlüssen 18, die in elektrischem Kontakt mit den bipolaren Platten montiert sind, welche die Brennstoffzellen 14 in dem Brennstoffzellenstapel 12 voneinander trennen. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform beinhaltet die Stapelverbindung 16 siebzehn Anschlüsse 18, um es zu ermöglichen, ein Spannungspotential über sechzehn der Brennstoffzellen 14 bereitzustellen. Demzufolge würde das System 10, um jede einzelne der Brennstoffzellen 14 im Stapel 12 zu messen, zwanzig Stapelverbindungen 16 beinhalten, wobei eine Stapelverbindung 16 für jede Gruppe von sechzehn Brennstoffzellen 14 vorgesehen ist, die überwacht werden sollen. In einer Ausführungsform ist eine Stapelverbindung 16 als eine integrierte Verbindung ausgeführt, die ein Teil des Brennstoffzellenstapels 12 ist, obwohl andere Arten von Verbindungen gleichermaßen anwendbar wären. Ein Beispiel für eine integrierte Verbindung, die für diesen Zweck geeignet ist, kann in der
US 2011 / 0 200 913 A1 mit dem Titel „Plattenverbindungsverfahren für einen integrierten Brennstoffzellensensor“ gefunden werden.
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Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet ein Zellspannungsüberwachungssubsystem 26 mit einem Zellspannungsmesskreis 28 und einer Empfängereinheit 30. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform, die hier erörtert werden wird, würde das Zellspannungsüberwachungssubsystem 26 Zellspannungsmesskreise 28 jeweils für eine der Verbindungen 16 beinhalten. Eine Vielzahl von Anschlüssen 32 gehen von dem Schaltkreis 28 weg, wobei einer der Anschlüsse 32 jeweils mit einem Anschluss 18 in der Verbindung 16 gekoppelt ist. Jedes entgegengesetzte Ende von jedem Anschluss 32 ist mit einem Multiplexer 34 gekoppelt, der selektiv zwei Spannungspotentialsignale aus den Verbindungsanschlüssen 18 an einen Messverstärker 38 zu einem gewissen Zeitpunkt abgibt, wobei eines der Signale ein Referenzpotential ist, um die Differenz zwischen den Signalen zu verstärken und das Zellspannungsmesssignal bereitzustellen, das auf Grund der in dem Stapel 12 angeordneten Zellen 14 resultiert. Ein Zählerschaltkreis 36 liefert eine Signalsequenz an den Multiplexer 34, um den Multiplexer 34 dazu zu bringen, selektiv und sequentiell von einem Anschluss 32 auf den nächsten Anschluss 32 umzuschalten. Der Ausgang des Multiplexers 34 wird mit dem Verstärker 38 verstärkt, so dass das Signal eine Größe aufweist, welche die Spannung der einzelnen Zelle 14, die gemessen wurde, darstellt. Das verstärkte Zellspannungssignal wird an den Komparator 40 geliefert, der das Signal mit einer invertierten Sägezahnspannung vergleicht, die von einem Sägezahnspannungsgenerator 42 bereitgestellt wird, wobei der Ausgang des Komparators 40 ein Pulsweiten-moduliertes Signal (PWM) ist und wobei die Weite der Pulse die Zellspannung definiert, wie weiter unten diskutiert werden wird. Das PWM-Signal wird an eine LED 44 abgegeben, die ein optisches Signal 46 mit einer An-Aus-Zeit ist, welche von den Pulsen vorgegeben wird. Eine Stromversorgung 48 liefert eine stabile Stromversorgung an die Verbindung 16 und die LED 44.
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, misst der Zellspannungsmesskreis 28, der von der weiter unten diskutierten Art ist, die Spannung der Zellen 14 in der Reihenfolge in der Zellgruppe und, sobald die letzte Zellspannung gemessen wurde, geht die Sequenz wieder auf die erste Zelle in der Gruppe, die gemessen werden soll, über und fährt fort, in dieser Art und Weise und mit einer Rate, die über den Sägezahnspannungsgenerator 42 gesetzt wird. Die vorliegende Erfindung stellt eine Serie von Synchronisier- oder Kalibierpulsen bereit, die in das PWM-Signal eingeführt werden, nachdem die letzte Zelle ausgemessen wurde, so dass ein Indiz bereitgestellt wird, das die erste Zelle in der Gruppe jetzt wieder vermessen werden wird.
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Wie erwähnt, stellt der Zellspannungsüberwachungskreis 28 die Genauigkeit der Zellspannungsmessungen, die durch die Verbindung 16 bereitgestellt wird, eine Sequenz von Kalibrier- oder Synchronisierpulsen in dem PWM-Signal von dem Komparator 40 bereit, das gestattet, dass die einzelne Zelle 14, die überwacht werden soll, identifiziert werden kann und stellt eine Kalibrierpulsweite dar, die eine Spannung identifiziert, mit der die Spannungsmessungen der Zellen 14 verglichen werden sollen. Die Weite der Kalibrierpulse wird so gewählt, dass die Größe der Spannung, welche sie darstellt, oder die Pulsweite, außerhalb von jeder möglichen Spannung der Zellen 14 ist. Darüber hinaus ermöglicht das Bereitstellen von Pulsen einer bekannten Größe und in diesem Beispiel von um den Nullpunkt symmetrischen Pulsen dem System 10, die Pulsweite als Kalibrierwert für die Zellspannungsmessung zu verwenden. Falls mehr als eine Pulsweite vom selben Wert bereitgestellt wird, kann das System 10 es wählen, diesen Wert für die Kalibrierpulse zu mitteln, so dass darüber hinaus der Messfehler reduziert wird. Das Bereitstellen von Systemkalibrierwerten ermöglicht es signifikant, die Abweichung in der Komponentengenauigkeit und eine Streuung im Lichtbetrag, der am Receiver empfangen wird, zu kompensieren, ohne dabei irgendeinen Messfehler einzuführen.
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2 zeigt einen Graphen, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und die Amplitude auf der vertikalen Achse abgetragen sind, welche ein PWM-Signal 60, das typischerweise vom Ausgang des Komparators 40 herrührt, veranschaulicht. Das PWM-Signal 60 beinhaltet vier Synchronisierpulse 64, wobei Pulse 62 vor den Synchronisierpulsen 64 Zellspannungsmesspulse sind, die an dem Ende der Gruppe der Zellen 14 bereitgestellt sind, und die Pulse 62 stellen Pulse dar, die nach den Synchronisierpulsen 64 als Zellspannungsmesspulse am Beginn der Gruppe der Zellen 14 bereitgestellt werden. Die Pulse wurden mit einer Sägezahnspannung moduliert, so dass die Weite der Pulse die Spannung der jeweils spezifischen Zelle 14 definiert. In diesem nicht einschränkenden Ausführungsbeispiel beinhalten die Synchronisierpulse 64 Hochspannungssynchronisierpulse 66, die durch eine enge Pulsweite gekennzeichnet sind und Niederspannungssynchronisierpulse 68, die durch eine weite Pulsweite gekennzeichnet sind. Die Art und Weise, inwiefern die Hochspannung enge Pulse und die Niederspannung weite Pulse hat, wird im folgenden diskutiert.
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Die Synchronisierpulse 64 stellen einen Start von einem Rasterreferenzmuster (SOF) dar, das nach Dekodierung eine Indizierung bereitstellt, dass die erste Zelle 14 in der Gruppe der Zellen als nächste gemessen werden wird. Das Format oder das Muster des Synchronisierpulses 64 in dieser Ausführungsform ist ein hoher Puls, gefolgt von einem niedrigen Puls, gefolgt von einem hohen Puls und wiederum gefolgt von einem niedrigen Puls (H-L-H-L). Dieses Muster ist spezifisch ausgewählt, um eine definierte Sequenz von Synchronisierpulsen 64 zu definieren, bei denen es unwahrscheinlich ist, dass diese bei den tatsächlichen Spannungsmessungen der Zellen 14 auftreten, so dass eine gute Indizierung bereitgestellt wird, dass die Pulse wirklich Synchronisierpulse 64 sind. Die Synchronisierpulse 64 werden immer vier Pulse in dieser Ausführungsform sein, wobei diese immer das H-L-H-L-Muster aufweisen und die Pulsweiten der Pulse für die hohen Pulse und die niedrigen Pulse immer wieder die gleichen sein werden. Die Pulsweiten der Pulse 62 werden von der tatsächlichen Zellspannung 14 erzeugt, wie im folgenden ausgeführt werden wird.
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Wie erwähnt, wird die Weite des Synchronisierpulses 64 so gewählt, dass die Spannung, die sie darstellt, außerhalb der möglichen tatsächlichen Spannungen von jeder der Zellen 14 ist. In einem nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel weisen die Hochspannungspulse 66 eine Weite von 1,235 V auf und die Weite der Niederspannungspulse 68 weisen -1,235 V auf. Die Weite der Kalibrierpulse 64 liefert eine Kalibrierspannung, mit der die tatsächlichen Zellspannungsmesspulse verglichen werden können, wobei die Proportionalität der Weite zwischen den Pulsen die tatsächliche Spannung liefert. Durch Bereitstellen eines Kalibrierpulses, zu dem die anderen Pulse in Bezug genommen werden sollen, basiert die tatsächliche Zellspannungsmessung nicht auf einer absoluten Spannungsmessung, was wiederum weniger aufwändige Komponenten und einen geringeren Rechenaufwand bedeutet. Wie im folgenden im Detail diskutiert werden wird, stellt die Modulation über die Sägezahnspannung ein PWM-Signal 60 in der Art dar, dass die Hochspannung eine enge Pulsweite und die Niederspannung eine weitere Pulsweite aufweist.
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Die Kalibrierpulse 64 können auf das PWM-Signal 60 in jeder geeigneten Art und Weise aufgeprägt werden. In dem System 10 liegt ein Referenzkreis 50 vor, der die sequenzierten Werte erzeugt, die mit den Kalibrierpulsen 64 moduliert werden. Der Zählerschaltkreis 36 sequenziert die Signale aus dem Referenzschaltkreis 50 in dem Messstrom nach der letzten Zelle 14 in der Gruppe, die gemessen werden soll. 3 ist ein schematisches Blockdiagramm für den Referenzschaltkreis 50. Eine Kalibrierspannung Vcal von 1,235 V in diesem nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel wird an eine Reihe von Pins auf der Leitung 52 an einen Multiplexer geliefert, der die Spannungswerte in einer Reihenfolge dann an den Verstärker 38 und dann an den Komparator 40 liefert. Die Unterscheidung zwischen den hohen und niedrigen Kalibrierpulsen wird über die Modulation unter Zuhilfenahme der invertierten Sägezahnspannung geliefert.
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Die Kalibrierpulse 64 gestatten es, dass die Spannungsmessungen kalibriert werden, in diesem Beispiel 250 mal pro Sekunde. Mit anderen Worten, ist der Zeitbetrag für die Pulse hoch genug, um mit den Hochvoltkalibrierpulsen verglichen zu werden, um die Spannungsmessung zu ergeben, die weniger als diesen Wert ergibt. Da die Sequenz von Pulsen 64 einen Beginn für die nächste Messung an den Brennstoffzellen 14 darstellt und diese Messungen in der Reihenfolge der Zellen 14 in dem Stapel 12 stattfinden, identifiziert jeder Puls spezifisch, welche Zelle 14 in der Gruppe der Zellen mit diesem Puls überwacht werden wird.
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4 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und die Größe auf der vertikalen Achse abgetragen ist, der eine Beziehung zwischen den Eingängen an dem Komparator 40, der dazu dient, die Modulation der Zellspannungsmessungssignale bereitzustellen, und dem optischen Signal 46, welches den Ausgang aus der LED 44 darstellt, zeigt. Oben in der 4 ist eine Sägezahnspannung 70 aus einem Sägezahngenerator 42 gezeigt, welche einem Spannungssignal 72 aus einem Messverstärker 38 überlagert ist. Der Abschnitt 74 des Signals 72 beinhaltet vier quadratische Wellenpulse, die über den Referenzschaltkreis 50 bereitgestellt werden, der, sobald er über die Sägezahnspannung 70 moduliert wird, die H-L-H-L-Pulssequenz aus der 2 für die Hochvoltpulse 66 und die Niedervoltpulse 68 liefert. Der positive Teil 76 der quadratischen Wellenpulse ergibt die schmalbandigen Hochvoltkalibrierpulse 66 und der negative Teil 78 der quadratischen Wellenpulse ergibt die breitbandigen Niedervoltkalibrierpulse 68.
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Falls die Sägezahnspannung 70 größer ist als das Signal 72, gibt dann der Komparator 40 ein hohes Signal aus, welches die LED 44 dazu bringt, leitend zu werden und das optische Signal 46 zu erzeugen. Dies ist im unteren Teil des Graphen dargestellt, wobei 1 die LED 44 im An-Zustand und 0 die LED 44 im Aus-Zustand darstellt. Insbesondere stellen die optischen Pulse 80 die Hochvoltkalibrierpulse 66, die optischen Pulse 82 wiederum die Niedervoltkalibrierpulse 68 und die optischen Pulse 86 schlussendlich die Spannungsmesspulse dar, wobei die Bereiche 84 im Signal 72 die Spannungsmessung in der jeweils einzeln vermessenen Zelle 14 darstellen. Es ist offensichtlich, dass der Winkel, der über die invertierte Sägezahnspannung 70 bereitgestellt wird, die Modulation in der Pulsweite bereitstellt, die relativ zur Größe der Spannung des Spannungsmesssignals ist. Demzufolge sind die LED-Pulse für die Hochspannung schmaler, als die für die Niedrigspannung in der Kalibrierstartrastersequenz. Sofern insbesondere die Größe des Pulses 84 nach oben geht, wird dies durch den schmaleren Teil der Sägezahnspannung 70 abgedeckt, welche einen schmaleren Puls in dem LED-Signal erzeugt. Je größer die Größe der Sektionen 84, die durch eine Hochspannung für die einzelne Zelle 14 dargestellt ist, gemessen wird, desto schmaler ist der Puls für die Spannungsmessung, welche wiederum eine Hochspannung darstellt.
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Der Empfängerschaltkreis 30 beinhaltet eine Reihe von Empfängerkanälen 90, wobei ein einzelner Kanal 90 für jede der zwanzig Zellspannungsmesskreise 28 vorgesehen ist. Jeder Kanal 90 beinhaltet eine Photodiode 92, die das optische Signal 46 empfängt, und einen Transimpedanzverstärker 94, der den Diodenstrom in eine dementsprechende Spannung umwandelt. Das Spannungssignal aus dem Verstärker 94 wird dann an einen Komparator 96 gesendet, um sicherzustellen, dass er innerhalb eines gewünschten Bereiches ist und wenn das der Fall ist, wird dieses dann an eine Master-CPU 98 gesendet, welches die Signale aus allen Kanälen 90 empfängt. Die CPU 98 dekodiert die An-Aus-Sequenz des Spannungssignals, um die Kalibrierpulse 64 zu identifizieren, so dass jede neue Gruppe von tatsächlichen Spannungsmesssignalen wieder auf die ursprüngliche Kalibriersequenz für jede Messung kalibriert wird. Die CPU 98 verwendet die Weite der Spannungspulse, die dekodiert wurden, um eine minimale Zellenspannung, eine maximale Zellenspannung, eine mittlere Zellenspannung und die tatsächliche Spannung jeder einzelnen Zelle zu identifizieren. Diese Information wird an ein zweites CAN 100 geliefert, das die Information auf einen Fahrzeug-Bus über eine serielle Schnittstelle (SIU) 102 und dann an eine Fahrzeug-ECU (nicht gezeigt) übermittelt, die das Brennstoffzellensystem 10 steuert, so dass eine Regelung der Flussraten der Reaktanten, die relative Feuchtigkeit im Zellenstapel, etc. geregelt werden kann. Die Zeit von Flanke-zu-Flanke des PWM-Signals 60 überfordert dabei nicht die Zeiterfassungseinheit in der CPU 98.
