DE60207707T2

DE60207707T2 - Überwachung der brennstoffzellenspannung

Info

Publication number: DE60207707T2
Application number: DE60207707T
Authority: DE
Inventors: Stephane Masse; B. Ravi GOPAL
Original assignee: Hydrogenics Corp
Current assignee: Hydrogenics Corp
Priority date: 2001-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2022-05-30
Also published as: AU2002302268A1; EP1390771A2; WO2002097460A2; CN1535384A; CA2448866A1; EP1390771B1; DE60207707D1; WO2002097460A3; CN100350261C; CA2448866C; ATE311609T1; US20020180447A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spannungsüberwachungssystem und ein Verfahren zum Messen einzelner Zellspannungen. Die Erfindung findet insbesondere, aber nicht ausschließlich, Anwendung bei einem Brennstoffzellenstapel, in dem Brennstoffzellen in Reihe gestapelt sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine elektromotorische Kraft erzeugt, indem der Brennstoff (typischer Weise Wasserstoff) und ein Oxidationsmittel (typischer Weise Luft) mit zwei geeigneten Elektroden und einem Elektrolyten in Kontakt gebracht werden. Ein Brennstoff, wie zum Beispiel Wasserstoffgas, wird zum Beispiel an einer ersten Elektrode eingebracht, wo es beim Vorhandensein des Elektrolyten elektrochemisch reagiert, um Elektronen und Kationen in der ersten Elektrode zu erzeugen. Die Elektronen werden ausgehend von der ersten Elektrode zu einer zweiten Elektrode durch einen elektrischen Schaltkreis zirkuliert, der zwischen den Elektroden angeschlossen ist. Kationen gehen durch den Elektrolyten hindurch zu der zweiten Elektrode. Auf vergleichbare Weise wird ein Oxidationsmittel, wie zum Beispiel Sauerstoff oder Luft, zu der zweiten Elektrode eingebracht, wo das Oxidationsmittel bei dem Vorhandensein des Elektrolyten und eines Katalysators elektrochemisch reagiert, wobei Anionen erzeugt und die Elektronen verbraucht werden, die durch den elektrischen Schaltkreis zirkuliert werden. Die Kationen werden an der zweiten Elektrode verbraucht. Die Anionen, die an der zweiten Elektrode oder Kathode gebildet werden, reagieren mit den Kationen, um ein Reaktionsprodukt zu bilden. Die erste Elektrode oder Anode kann alternativ als Brennstoff- oder Oxidationselektrode bezeichnet werden und die zweite Elektrode kann alternativ als Oxidationsmittel- oder reduzierende Elektrode bezeichnet werden. Die Halbzellenreaktionen an den ersten und zweiten Elektroden sind jeweils: H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) 1/2O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2)
Der externe elektrische Schaltkreis zieht elektrischen Strom ab und erhält daher elektrische Leistung von der Brennstoffzelle. Die gesamte Brennstoffzellenreaktion erzeugt elektrische Energie, wie durch die Summe der separaten Halbzellenreaktionen, die in den Gleichungen 1 und 2 gezeigt sind, gezeigt. Wasser und Wärme sind typische Nebenprodukte der Reaktion.
In der Praxis werden Brennstoffzellen nicht als einzelne Einheiten betrieben. Vielmehr sind Brennstoffzellen in Reihe angeschlossen, entweder übereinander gestapelt oder seitlich nebeneinander angeordnet. Die Reihe an Brennstoffzellen, die als Brennstoffzellenstapel bezeichnet wird, ist normalerweise in einem Gehäuse eingeschlossen. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel werden durch Rohranschlüsse in dem Gehäuse auf die Elektroden gerichtet. Die Brennstoffzelle wird entweder durch die Reaktionsmittel oder ein Kühlmedium gekühlt. Der Brennstoffzellenstapel umfasst auch Stromkollektoren, Zell-zu-Zell-Abdichtungen und -isolation, wohingegen das benötigte Rohrnetz und Instrumentarium außerhalb des Brennstoffzellenstapels vorgesehen sind. Der Brennstoffzellenstapel, das Gehäuse und zugeordnete Hardware bilden ein Brennstoffzellenmodul.
Verschiedene Parameter müssen überwacht werden, um einen ordnungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten. Einer dieser Parameter ist die Spannung über jeder Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel, die im Folgenden als Zellspannung bezeichnet ist. Daher wird eine differentielle Spannungsmessung an den zwei Anschlüssen (d. h. Anode und Kathode) jeder Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel benötigt. Weil Brennstoffzellen in Reihe angeschlossen sind und typischer Weise in großer Anzahl vorliegen, wird die Spannung an einigen Anschlüssen jedoch für einige derzeit verfügbare Halbleitermessvorrichtungen zu hoch, um unmittelbar zu messen. Für einen Brennstoffzellenstapel, der aus 100 Zellen mit jeweils einer Zellspannung bei 0,95 V besteht, beträgt zum Beispiel die tatsächliche Spannung an dem negativen Anschluß (Kathode) der oberen Zelle 94,05 V (d. h. 0,95·100 – 0,95). Als solche überschreitet die Spannung die maximal zulässige Eingangsspannung von differentiellen Stromverstärkern, die üblicherweise verwendet werden, um Spannung zu messen.
Es wurden verschiedene Anstrengungen unternommen, um dieses Problem zu überwinden. Ein Verfahren zum Überwachen hoher Zellspannungen ist von Becker-Irvin (U.S.-Patent Nr. 5,914,606) offenbart, der lehrt, eine Zellspannung mit Hilfe von Spannungsteilern zu überwachen. Die Spannungsteiler sind mit Messpunkten an einem Stapel von Zellen verbunden. Die Spannungsteiler verringern die Spannung an jedem Messpunkt, so dass jede Spannung niedrig genug ist, um eine Eingabe zu einem herkömmlichen Differenzverstärker darzustellen. Wenn die Spannungsteiler "eng abgestimmt" sind, ist die Ausgabe des Differenzverstärkers unmittelbar zu der Differenzspannung zwischen dem Paar an Stellen proportional, an denen die Spannungsteiler angeschlossen sind. Dadurch kann die Differenzspannung zwischen diesen zwei Punkten ermittelt werden. Indem das "Verhältnis" jedes Spannungsteilers gewählt wird, kann das System verwendet werden, um Differenzspannungen beim Vorhandensein unterschiedlicher Gleichtaktspannungen zu messen.
Es gibt jedoch zwei Probleme, wenn die Zellspannung mit diesem System überwacht wird. Erstens, weil die Zellen in Reihe angeschlossen sind, muss die Spannung der Zellen in der Nähe der Oberseite der Reihenverbindung (d. h. am weitesten vom Referenzpotential entfernt) herunter geteilt werden (d. h. verringert), wobei Spannungsteiler mit äußerst hohem Verhältnis verwendet werden, um für Spannungen zu sorgen, die von dem gleichen spannungsmessenden Schaltkreis erfasst werden können, der die Zellspannungen der Zellen in der Nähe der Unterseite der Reihenverbindung misst. Daher erfordert ein Überwachen hoher Spannung Widerstände sehr hoher Genauigkeit in den Spannungs teilern mit hohem Verhältnis, um die Spannungen an jedem Anschluss der Zelle, die gemessen wird, um den gleichen Betrag zu verringern. Zweitens, jegliche Abweichung im Widerstand der Widerstände in den Spannungsteilern wird eine Impedanzfehlanpassung in dem Thevenin-Äquivalent (Ersatzspannungsbild der Spannungsteiler) der Spannungsteiler verursachen, was die Fähigkeit des Differenzverstärkers beeinflussen wird, die Zellspannung korrekt zu messen. Daher muss stark darauf geachtet werden, die Widerstandswerte der Widerstände, die in den Spannungsteilern verwendet werden, genau anzupassen. Dies führt zu einem Spannungsmesssystem mit erhöhten Kosten und verringertem Wirkungsgrad.
Ein anderes System zur Überwachung hoher Spannungen ist von Flohr et al. (U.S.-Patent Nr. 5,712,568) offenbart worden. Flohr lehrt die Verwendung einer optischen Isolierungstechnik, um den Spannungsmessprozess zu trennen. Unglücklicherweise ist dieses Verfahren sowohl kostenspielig als auch schwierig, zu implementieren. James (U.S.-Patent Nr. 6,140,820) offenbart ebenfalls ein Spannungsüberwachungssystem, das Isolierungsverfahren verwendete, die einen Multiplexer und differentielle Eingänge beinhalten. Dieses Spannungsüberwachungssystem leidet jedoch auch unter Impedanzfehlanpassung und reduzierter Genauigkeit.
Patent Abstract of Japan, Vol. 2000, Nr. 6, 22. September 2000 & JP 2000 092732 A (Denso Corp) offenbart ein System zum Ausgleichen von Zellen eines Batteriepakets, in dem der Ladungszustand (SOC; engl.: state of charge) und die Leerlaufspannung (OCV; engl.: open-circuit voltage) jeder Zelle ermittelt wird. Jede Zelle, die eine starke Streuung des SOC's aufweist, wird dann von dem System automatisch unter Verwendung von Schaltern entladen.
Wie ersichtlich, sorgen die obigen Verfahren nicht für ein einfaches und kostenwirksames System zum Überwachen einer Zellspannung. Dies ist unvorteilhaft, weil es auf dem Gebiet der Brennstoffzellentechnologie bei größer und komplexer wer denden Brennstoffzellenstapeln einen zunehmenden Bedarf an einfachen und genauen Systemen zur Messung von Zellspannungen gibt. Beispielsweise ist es derzeit technisch schwierig, eine genaue Zellspannungsmessung bei vertretbaren Kosten für einen Brennstoffzellenstapel zu erreichen, der 40 Brennstoffzellen überschreitet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um die Probleme, die mit den aktuellen Verfahren zum Messen einer Zellspannung verbunden sind, zu überwinden, stellt die vorliegende Erfindung einen neuartigen Schaltkreis und Verfahren zum Überwachen der Spannung jeder Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel bereit. Der Brennstoffzellenspannungsüberwachungsschaltkreis ist kosteneffektiv und einfach zu betreiben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein System bereitgestellt, um wenigstens eine Zellspannung einer elektrochemischen Vorrichtung zu überwachen, wobei die Vorrichtung eine Mehrzahl von Zellen aufweist, die in Reihe angeschlossen sind, wobei jede Zelle zwei Anschlüsse bereitgestellt, wobei das System umfasst:
Eine Mehrzahl von Differenzverstärkern, wobei jeder Differenzverstärker zwei Eingänge und einen Ausgang aufweist und eine hohe Gleichtaktspannung sperrt, wobei die Eingänge von wenigstens einem der Mehrzahl an Differenzverstärkern bei Verwendung mit zwei der Anschlüsse verbunden sind, um eine Differenzspannung derselben zu messen;
ein Schaltnetzwerk, das eine Mehrzahl von Eingängen und einen Ausgang aufweist, wobei jeder der Mehrzahl von Eingängen des Schaltnetzwerks mit dem Ausgang von einem der Differenzverstärker verbunden ist;
einen Analog-Digital-Wandler, der einen Eingang aufweist, der mit dem Ausgang des Schaltnetzwerks verbunden und ausgelegt ist, digitale Werte bereitzustellen, die die Differenzspannung angeben, die von dem wenigstens einen der Mehrzahl von Differenzverstärkern gemessen wird;
eine Steuereinrichtung, die mit dem Schaltnetzwerk und dem Analog-Digital-Wandler verbunden ist, um den Betrieb des Schaltnetzwerks und des Analog-Digital-Wandlers zu steuern und um die digitalen Werte zu empfangen, wobei das System umfasst
eine Berechnungseinrichtung, die mit dem Ausgang von einem der Digital-Analog-Wandler verbunden ist, und die Steuereinrichtung, die eine Einrichtung umfasst, um die digitalen Werte zu empfangen und einen Faktor auf die digitalen Werte anzuwenden, um Gleichtaktspannungsfehler von diesen zu entfernen.
Vorzugsweise weist jeder Differenzverstärker ein hohes Gleichtaktsperrungsverhältnis auf. Noch bevorzugter kann jeder Differenzverstärker eine Gleichtaktspannung von 200 V sperren.
Alternativ kann die Berechnungseinrichtung einen Teil der Steuereinrichtung darstellen. Ein Mikroprozessor kann vorzugsweise als die Steuereinrichtung verwendet werden. Das System kann ferner einen Computer umfassen, der mit der Steuereinrichtung verbunden ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst das System ferner wenigstens eine Kalibriereinrichtung, die mit einem der Mehrzahl von Differenzverstärkern verbunden sein kann, um den Faktor zu ermitteln. Die wenigstens eine Kalibriereinrichtung ist ausgelegt, zwei Kalibrierspannungen den Eingangsanschlüssen von einem der Differenzverstärker bereitzustellen, wobei die zwei Kalibrierspannungen voneinander um ein konstantes Spannungsinkrement versetzt sind, um eine Differenzspannung und eine Gleichtaktspannung an den Anschlüssen von einer der Mehrzahl von Zellen zu emulieren. Das konstante Spannungsinkrement kann in dem Bereich von 0,5 V bis 1 V gewählt sein. Bevorzugter kann das konstante Spannungsinkrement 0,75 V betragen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen, um wenigstens eine Zellspannung für eine Mehrzahl elektrochemischer Zellen zu überwachen, die in Reihe angeschlossen sind, wobei jede der elektrochemischen Zellen zwei Anschlüsse aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Verbinden von zwei der Anschlüsse der Mehrzahl von elektrochemischen Zellen mit den Eingängen eines Differenzverstärkers, wobei der Differenzverstärker zwei Eingänge und einen Ausgang aufweist, wobei die zwei Anschlüsse erste und zweite Spannungen bereitstellen, die eine Gleichtaktspannung aufweisen;
(b) Sperren der Gleichtaktspannung in dem Differenzverstärker, um eine Differenzspannung zwischen den zwei Anschlüssen zu messen;
(c) Umwandeln der Differenzspannung von einem analogen in einen digitalen Wert; und
(d) Anwenden eines Faktors auf den digitalen Wert, um einen Gleichtaktspannungsfehler von der Differenzspannung zu entfernen.

Insbesondere umfasst Schritt (a) des Verfahrens ferner, eine Mehrzahl an Differenzverstärkern vorzusehen, wobei jeder Differenzverstärker zwei Eingänge und einen Ausgang aufweist, und zusätzliche Paare von Anschlüssen von der Mehrzahl von elektrochemischen Zellen mit der Mehrzahl von Differenzverstärkern zu verbinden, wobei die Paare der Anschlüsse mit Eingängen von einem der Mehrzahl von Differenzverstärkern verbunden ist, die zusätzliche Paare von Anschlüssen jeweils eine Gleichtaktspannung aufweisen; und das Verfahren ferner umfasst, die Schritte (b), (c) und (d) für jeden der Differenzverstärker zu bewirken.
Das Verfahren umfasst ferner, den Ausgang der Differenzverstärker über ein Schaltnetzwerk mit einem Analog-Digital-Wandler zu verbinden, wobei das Schaltnetzwerk verwendet wird, um den Aus gang von einem der Differenzverstärker zu dem Analog-Digital-Wandler für eine Analog-Digital-Wandlung der Spannungsdifferenz an dem Ausgang des einen Differenzverstärkers zu schalten. Das Verfahren umfasst auch, eine Steuereinrichtung bereitzustellen, um das Schaltnetzwerk und den Analog-Digital-Wandler zu steuern. Das Verfahren umfasst ferner, die Steuereinrichtung als Mikroprozessor bereitzustellen.
Das Verfahren umfasst ferner den Schritt:

(e) Bekannte erste und zweite Kalibrierspannungen von einer Kalibriereinrichtung den Eingängen jedes Differenzverstärkers bereitzustellen und die Spannung an dem Ausgang derselben zu messen, um den Faktor zu ermitteln.

Das Verfahren umfasst ferner, den Schritt (e) für jeden Differenzverstärker gemäß den Schritten zu bewirken:

(f) Verbinden des Ausgangs des Differenzverstärkes mit einem Analog-Digital-Wandler; (g) Anlegen einer Spannung V_A basierend auf den ersten und zweiten Kalibrierspannungen über den Eingängen des Differenzverstärkers und Messen von V_A; (h) Messen der Ausgabe (V_ADC(V_A)) des Analog-Digital-Wandlers, wenn V_A an die Eingänge des Differenzverstärkers differentiell angelegt wird; (i) Messen der Ausgabe (V_ADC(V₀)) des Analog-Digital-Wandlers, wenn die Eingänge des Differenzverstärkers mit Masse verbunden sind; und (j) Messen der Offset-Gleichspannung (V_OFF) an dem Ausgang des Differenzverstärkers, wenn die Eingänge des Differenzverstärkers auf Masse gelegt werden.

Das Verfahren umfasst ferner, eine kalibrierte gemessene Zellspannung (V_R) zu berechnen, um die wenigstens eine Zellspannung zu überwachen, wobei die kalibrierte gemessene Zellspannung (V_R) auf einer gemessenen Spannung basiert, die aus der Ausgabe (V_ADC) des Analog-Digital-Wandlers erhalten wird, wenn die Eingänge des Differenzverstärkers über zwei der Anschlüsse verbunden sind, wobei die Berechnung ausgeführt wird gemäß:
Das Verfahren umfasst ferner, Differenzverstärker bereitzustellen, die jeweils ein hohes Gleichtaktsperrverhältnis aufweisen. In höheren Maßen bevorzugt kann jeder Differenzverstärker eine Gleichtaktspannung von 200 V sperren.
Das Verfahren umfasst ferner, die zweite Kalibrierspannung mit einem konstanten Spannungsinkrement hinsichtlich der ersten Kalibrierspannung bereitzustellen, um die Differenzspannung und die Gleichtaktspannung zu emulieren, die unter normalen Betriebszuständen an den Anschlüssen einer Zelle der Mehrzahl von elektrochemischen Zellen erwartet werden würden. Das konstante Spannungsinkrement kann in dem Bereich von 0,5 V bis 1 V gewählt sein. In bevorzugter Weise kann das konstante Spannungsinkrement 0,75 V betragen.
Das Verfahren umfasst ferner, die Zellspannung jeder Zelle in der Mehrzahl von Zellen sequentiell zu überwachen. Alternativ kann die Zellspannung jeder Zelle der Mehrzahl von Zellen zu einem beliebigen Zeitpunkt gemessen werden. Das Verfahren umfasst ferner, das Messverfahren bei Brennstoffzellenspannungen anzuwenden.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der vorliegenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und um klarer aufzuzeigen, wie sie ausgeführt werden kann, wird nun beispielshalber auf die beigefügten Bezeichnungen Bezug genommen, die eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen und in denen:
1 eine schematische Darstellung eines bekannten Systems zur Überwachung von Zellspannungen ist;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Systems zur Überwachung von Brennstoffzellenspannungen gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
3a eine Teilansicht eines Beispiels einer Zellspannungsmessung an einem Brennstoffzellenstapel unter Verwendung des Systems zur Überwachung von Brennstoffzellenspannungen von 2 ist; und
3b eine Teilansicht der Kalibrierung ist, die für das System zum Überwachen von Brennstoffzellenspannungen von 2 benötigt wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Zuerst Bezug nehmend auf 1 ist das von Becker-Irvin (U.S.-Patent Nr. 5,914,606) offenbarte System gezeigt. Messpunkte 114 und 116 sind mit den Eingängen eines Spannungsteilers 111 verbunden. Andere Messstellen sind ebenfalls mit entsprechenden Eingängen anderer Spannungsteiler verbunden. Alle Teilerausgänge sind mit einem Multiplexer 120 verbunden, der Ausgänge 129 und 130 aufweist. Diese Ausgänge sind mit einem Differenzverstärker A7 verbunden. Indem Schalter, wie zum Beispiel 124 und 127, in geeigneter Weise geschlossen werden, werden die zwei Spannungsteilerausgänge mit dem Multiplexer 120 verbunden. Wenn die Spannungsteiler "eng abgestimmt" sind, ist die Ausgabe des Differenzverstärkers A7 unmittelbar proportio nal zu der Differenzspannung zwischen dem Paar an Stellen, an denen die Spannungsteiler angeschlossen sind. Wie zuvor diskutiert müssen jedoch Widerstände sehr hoher Genauigkeit in den Spannungsteilern verwendet werden. Ferner führt jegliche Abweichung des Widerstands dieser Widerstände zu einer falschen Zellspannungsmessung.
Bezugnehmend nun auf 2 ist eine schematische Ansicht eines Systems zum Überwachen von Brennstoffzellenspannungen gemäß der vorliegenden Erfindung bei 10 angegeben. Das System 10 zum Überwachen von Brennstoffzellenspannungen umfasst eine Mehrzahl von Differenzverstärkern 12, die mit einem Brennstoffzellenstapel 13 verbunden sind. Der Einfachheit halber sind nur zwei Differenzverstärker 14 und 18 und zwei Brennstoffzellen 18 und 20 gezeigt. Das System 10 zur Überwachung von Brennstoffzellenspannungen umfasst ferner ein Schaltnetzwerk 22, einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 24, eine Steuereinrichtung 26 und einen PC 28. Das System 10 zur Überwachung von Brennstoffzellenspannungen umfasst ferner eine Berechnungseinrichtung, die in der Steuereinrichtung 26 enthalten sein kann. Alternativ kann die Berechnungseinrichtung mit dem Ausgang der Steuereinrichtung 26 verbunden sein oder die Berechnungseinrichtung kann mit dem Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 24 verbunden sein. Die Eingänge der Mehrzahl von Differenzverstärkern 12 sind mit den Anschlüssen der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 13 verbunden und die Ausgänge der Mehrzahl von Differenzverstärkern 12 sind mit dem Schaltnetzwerk 22 verbunden. Das Schaltnetzwerk 22 ist auch mit dem ADC 24 verbunden. Der ADC 24 ist mit der Steuereinrichtung 26 verbunden, die wiederum mit dem PC 28 über ein RS232 Kabel 30 oder eine andere kommerziell verfügbare PC-Kommunikationsverbindung verbunden ist. Die Berechnungseinrichtung wendet auf die digitalen Werte, die von dem ADC 24 gelesen werden, einen Faktor an, um für eine genauere Überwachung der gemessenen Zellspannungen zu sorgen. Der Faktor wird unten detaillierter beschrieben.
Um eine Zellspannungsmessung zu bewirken, wird eine Mehrzahl von Differenzverstärkern 12 verwendet, wobei jeder Differenz verstärker ein hohes Gleichtaktsperrverhältnis aufweist. Jeder Differenzverstärker ist vorzugsweise auch in hohem Maß linear. Jeder Verstärker kann einen Verstärkungsfaktor von im Wesentlichen 1 aufweisen. Jeder Verstärker sollte auch in der Lage sein, an jedem Eingang eine möglichst hohe Spannung zu sperren. Die Eingangsdifferenz wird jedoch durch die Leistungsversorgungsspannung begrenzt, wie auf dem Gebiet im Allgemeinen bekannt ist. Dementsprechend kann die Eingangsdifferenz auf einen Bereich von +/– 15 V beschränkt sein.
In 2 ist jeder Differenzverstärker der Mehrzahl von Differenzverstärkern 12 mit den Anschlüssen einer entsprechenden Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel 13 verbunden, deren Zellspannung zu messen ist. Beispielsweise ist in 2 der Differenzverstärker 14 über der Brennstoffzelle 18 angeschlossen. Insbesondere sind die zwei Eingänge 34 und 36 des Differenzverstärkers 14 mit der Anode 38 und der Kathode 40 der Brennstoffzelle 18 verbunden. Alternativ müssen in der Praxis die Eingänge eines Differenzverstärkers, der von der Mehrzahl von Differenzverstärkern 12 gewählt ist, nicht notwendigerweise mit den zwei Anschlüssen einer Brennstoffzelle verbunden sein. Vielmehr können die Eingänge des Differenzverstärkers mit beliebigen zwei Anschlüssen des Brennstoffzellenstapels 13, so wie gewünscht, verbunden sein. Für den Differenzverstärker 14 kann zum Beispiel der Eingang 34 mit dem Anschluss 38 der Brennstoffzelle 18 verbunden sein und der Eingang 36 kann mit dem Anschluss 44 der Brennstoffzelle 20 verbunden sein. In dieser Beschreibung wird der Einfachheit halber für jeden Differenzverstärker angenommen, dass er mit den Anschlüssen einer einzelnen Brennstoffzelle verbunden ist.
In dem System 10 zum Überwachen von Brennstoffzellenspannungen wird dann der Ausgang jedes Differenzverstärkers von der Mehrzahl von Differenzverstärkern 12 mit den Eingängen des Schaltnetzwerks 22 verbunden. Dementsprechend sind in 2 der Ausgang 50 des Differenzverstärkers 14 und der Ausgang 52 des Differenzverstärkers 16 mit den Eingängen des Schaltnetzwerks 22 verbunden (der Einfachheit halber sind nur zwei Eingänge ge zeigt). Vorzugsweise kann das Schaltnetzwerk 22 ein Multiplexer oder dergleichen sein. Das Schaltnetzwerk 22 erlaubt es, nur auf die Differenzspannung zu einem Zeitpunkt zuzugreifen, die an zwei Stellen an dem Brennstoffzellenstapel 13 gemessen wird. Diese Konfiguration ist wünschenswert, um die Anzahl von Komponenten in dem System 10 zum Überwachen von Brennstoffzellenspannungen zu verringern. Die Zellspannungen können auch mit hoher Geschwindigkeit überwacht werden, so dass das Messen von nur einer Zellspannung zu einem Zeitpunkt akzeptabel ist. Die an den zwei Anschlüssen an dem Brennstoffzellenstapel 13 gemessene Differenzspannung wird dann von dem Schaltnetzwerk 22 zu dem ADC 24 gesendet.
Der ADC 24 wandelt die gemessenen analogen Spannungen in digitale Werte um. In der Praxis kann der ADC 24 ein 16-Bit ADC sein. Alternativ kann ein ADC mit mehr Bits verwendet werden, um genauere digitale Werte zu erhalten. Nach der Analog-Digital-Wandlung werden die digitalen Werte zu der Steuereinrichtung 26 gesendet.
Die Steuereinrichtung 26 steuert die Funktion des Systems 10 zur Überwachung von Brennstoffzellenspannungen. Insbesondere steuert die Steuereinrichtung 26 den Betrieb des Schaltnetzwerks 22 über ein Schaltnetzwerksteuersignal 47 und des ADC über ein ADC-Steuersignal 49. Die Steuereinrichtung 26 steuert das Schaltnetzwerk 22, um die digitalen Werte für die Zellspannung selektiv zu empfangen, die an den zwei Anschlüssen einer speziellen Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel 13 gemessen wird. Vorzugsweise weist die Steuereinrichtung 26 das Schaltnetzwerk 22 an, auf die Spannung, die über jeder Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel 13 gemessen wird, in sequentieller Reihenfolge zuzugreifen, und liest die entsprechenden digitalen Werte aus dem ABC 24 aus. Alternativ kann durch geeignetes Programmieren der Steuereinrichtung 26 auf die gemessene Spannung über jeder Brennstoffzelle zu jedem beliebigen Zeitpunkt zugegriffen werden. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise ein Mikroprozessor, kann aber auch eine andere Steuervorrichtung, wie zum Beispiel ein PC oder dergleichen sein.
Wie zuvor erwähnt kann die Steuereinrichtung 26 die Berechnungseinrichtung 27 umfassen, um die aus dem ADC 24 ausgelesenen digitalen Werten in eine gemessene Zellspannung umzuwandeln (unten weiter erläutert). Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung 24 über ein RS232 Kabel 30 oder dergleichen mit einem PC 28 verbunden, der verwendet werden kann, um für eine verbesserte Datenverarbeitung zur Überwachung der Brennstoffzellenleistung zu sorgen. Die Zellspannungen erlauben es einem Benutzer, den Gesamtzustand einer einzelnen Brennstoffzelle zu beurteilen. Die Zellspannungen können verwendet werden, um zu ermitteln, ob es eine Wasseransammlung in einer Zelle gibt oder ob sich Gase mischen etc. Es ist auch wichtig, wie oft Zellspannungen gemessen werden. Die Zellspannungsmessung muß ausreichend schnell genug sein, um kurze, transiente Zustände der Zellen mitzuteilen. Es ist bevorzugt, eine Messung alle 10 ms an jeder Zelle durchzuführen, was sich als mehr als ausreichend herausgestellt hat. Es ist anzumerken, dass sich der PC 28 an einer entfernten Stelle befinden kann.
Die Mehrzahl von Differenzverstärkern 12, die in dem System 10 zum Überwachen von Brennstoffzellenspannungen verwendet werden, kann von einem beliebigen kommerziell verfügbaren Differenzverstärker gewählt sein, der ein hohes Gleichtaktsperrverhältnis aufweist. Beispiele umfassen den Burr-Brown INA 117 Differenzverstärker oder den Analog Devices AD629 Differenzverstärker. Diese Differenzverstärker können mit einer Gleichtaktspannung von bis zu 200 V arbeiten und können daher unmittelbar mit der Kathode und Anode einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels 13, wie in 2 gezeigt, verbunden werden.
In der Praxis benötigt das System 10 zum Überwachen von Brennstoffzellenspannungen eine Kalibrierung, um genaue Spannungsmessungen zu erhalten. Wie es Fachleuten auf dem Gebiet gut bekannt ist, steigen die Spannungen an den zwei Anschlüssen einer einzelnen Brennstoffzelle an, wenn die Anzahl einzelner Brenn stoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 13 ansteigt. Dieser Anstieg ist größer, je weiter weg sich die einzelne Brennstoffzelle von dem Referenzpotential des Brennstoffzellenstapels 13 befindet. Dementsprechend steigt die Gleichtaktspannung an den Eingängen des Differenzverstärkers, der mit einer einzelnen Brennstoffzelle verbunden ist, ebenfalls an (die Gleichtaktspannung ist einfach der Mittelwert an den Eingängen). Die Gleichtaktspannung an den Eingängen zu dem Differenzverstärker führt zu einer Spannung an dem Ausgang des Differenzverstärkers, die die Spannungsmessung des Differenzverstärkers verfälscht. Dieser Gleichtaktspannungsfehler entspricht dem Produkt der Gleichtaktspannungsverstärkung des Differenzverstärkers und der Gleichtaktspannung an den Eingängen. Daher ist der Gleichtaktspannungsfehler proportional zu der Gleichtaktspannung an den Eingängen des Differenzverstärkers. Dementsprechend weist der Differenzverstärker vorzugsweise ein hohes Gleichtaktsperrverhältnis (CMRR; engl.: common-mode rejection ratio) auf, was das Verhältnis der Eingangsspannung ist, wenn die Eingänge miteinander verbunden sind, dividiert durch die Ausgangsspannung. Das CMRR wird üblicherweise in dB ausgedrückt (d. h. CMRR (dB) = 20 log (Eingangsspannung/Ausgangsspannung)). Typischer Weise liegen Werte für das CMRR etwa in dem Bereich von 70 bis 110 dB. Ein Verstärker mit einem hohen Gleichtaktsperrverhältnis weist per Definition eine geringe Gleichtaktspannungsverstärkung auf.
Zusätzlich tritt aufgrund nicht vermeidbarer interner Fehlanpassungen in dem Differenzverstärker an dem Ausgang des Differenzverstärkers eine Fremdspannung auf. Diese Ausgangsspannung wird als Gleichspannungs-Offset des Differenzverstärker bezeichnet. Der Gleichspannungs-Offset wird als finite Spannung an dem Ausgang des Differenzverstärkers beobachtet, wenn die Eingänge des Differenzverstärkers mit Masse verbunden sind.
Ferner kann ein Spannungsfehler bei der Messung aufgrund des Quantisierungsrauschens des ADC's 24 resultieren. Es ist jedoch auf dem Gebiet gut bekannt, dass Quantisierungsrauschen auf ein akzeptierbares Niveau verringert werden kann, indem die Anzahl an Quantisierungsbits in dem ADC 24 erhöht wird.
Aufgrund des Gleichtaktspannungsfehlers, des Gleichspannungs-Offset und in gewissem Ausmaß des Quantisierungsrauschens weicht die Ausgabe des Differenzverstärkers von der tatsächlichen Zellspannung der Brennstoffzelle ab. Diese Abweichung wird als Restspannung bezeichnet, die einen Messfehler darstellt, der mit herkömmlichen Differenzverstärkeranordnungen nicht beseitigt werden kann. Wie zuvor diskutiert, ist die Restspannung proportional zu der Gleichtaktspannung an den Eingängen des Differenzverstärkers. Dies ist nicht wünschenswert, weil, wenn die Gesamtanzahl einzelner Brennstoffzellen ansteigt, die Gleichtaktspannung an den Eingängen des Differenzverstärkers ansteigt. Daher wird die Abweichung bei der gemessenen Zellspannung für diejenigen Brennstoffzellen an der Oberseite des Brennstoffzellenstaples 13 groß genug sein, um die Genauigkeit der Zellspannungsmessung bedeutsam zu beeinflussen.
Das obige Problem kann überwunden werden, wenn die gemessene Zellspannung der Brennstoffzelle basierend auf einer linearen Gleichung berechnet wird, die die digitalen Werte verwendet, die von der Spannungsmessung jeder Brennstoffzelle erhalten werden. Um die Berechnung durchzuführen, werden wenigstens ein Voltmeter und wenigstens eine Kalibriereinrichtung benötigt, um während eines Kalibriervorgangs Spannungswerte auszulösen. Vorzugsweise ist das Voltmeter ein Voltmeter hoher Genauigkeit.
Die Zellspannung für jede Brennstoffzelle, die durch einen vorgegebenen Differenzverstärker gemessen wird, kann unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden:
wobei:

V_R: die kalibrierte gemessene Zellspannung ist
V_ADC: der Ausgabewert des ADC's 24 während der Zellspannungsmessung ist
V_A: die Spannung ist, die an den Eingang des Differenzverstärkers während der Kalibrierung differentiell angelegt wird
V_ADC(V_A): der Ausgabewert des ADC's 24 ist, wenn V_A an die Eingänge des Differenzverstärkers während der Kalibrierung angelegt wird
V_ADC(V₀): der Ausgabewert des ADC's 24 ist, wenn die Eingänge des Differenzverstärkers während der Kalibrierung auf Masse gelegt werden
V_OFF: die Spannungsausgabe des Differenzverstärkers ist, wenn die Eingänge des Differenzverstärkers während der Kalibrierung auf Masse gelegt werden

Gleichung 3 entfernt die Messfehler, um die gemessene Zellspannung für die Brennstoffzelle zu erhalten, die vermessen wird. Die Spannung V_OFF gibt den Gleichspannungs-Offset und Gleichtaktspannungsfehler an. Diese Fehler werden von dem gemessenen Wert entfernt, weil auf der Grundlage des Prinzips der Überlagerung die gemessene Spannung die Addition der Zellspannung zzgl. dieser Fehler ist. Zweitens, der Faktor V_ADC/[V_ADC(V_A) – V_ADC(V₀)] wird verwendet, um die Ausgabe des ADC's 24 mit einem aussagekräftigen Wert in Volt zu korrelieren.
Diese Berechnung kann von der Steuereinrichtung 26 durchgeführt werden. Alternativ kann eine andere Verarbeitungsvorrichtung verwendet werden. Die kalibrierten Daten können dann zur Aufzeichnung und Analyse durch den PC 28 gelesen werden. Indem das Schaltnetzwerk 22 gesteuert wird, um auf jeden Differenzverstärker aus der Mehrzahl von Differenzverstärkern 12 sequentiell zuzugreifen, kann die Zellspannung für jede Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel 13 erhalten werden.
3a veranschaulicht den Messfehler, der auftritt, wenn die Zellspannung einer Brennstoffzelle von dem Brennstoffzellenstapel 13 gemessen wird, falls keine Kalibrierung verwendet wird. Nimmt man an, dass es 102 Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 13 gibt und dass jede Brennstoffzelle bei 0,75 V arbeitet (d. h. die Zellspannung beträgt 0,75 V) beträgt die tatsächliche Gleichtaktspannung der 102. Brennstoffzelle 75,75 V (d. h. 0,75·101), wie in 3a gezeigt. Wenn an dem Ausgang des Differenzverstärkers 66, der mit dem 102. Brennstoffzelle verbunden ist, ein Restspannungsfehler von +50 mV auftritt, beträgt die Ausgabe des Differenzverstärkers 66 statt 0,75 V 0,8 V (d. h. 0,75 + 0,05) und weist eine Verstärkung von 1 auf. Typischer Weise wird erwartet, dass Spannungen in dem Bereich von bis zu 5 Volt variieren können.
Bezugnehmend nun auf 3b kann der Messfehler durch Kalibrieren des Differenzverstärkers 66 mit einer Kalibriereinrichtung 70 beseitigt werden, die die genaue Gleichtaktspannung und Zellspannung bereitstellt, die für die 102. Brennstoffzelle erwartet werden würde, die bei diesem Beispiel 75,75 V bzw. 0,75 V sind. Eine Kalibriereinrichtung kann für jeden Differenzverstärker der Mehrzahl von Differenzverstärkern 12 vorgesehen sein. Alternativ kann eine Kalibriereinrichtung für jeden Differenzverstärker aus der Mehrzahl von Differenzverstärkern 12 erneut verwendet werden. 3b zeigt auch zwei beispielhafte Anordnungen eines Voltmeters 72, um an verschiedenen Knoten des Systems 10 zur Überwachung von Brennstoffzellenspannungen während der Kalibrierung mit der Kalibriereinrichtung 70 genaue Spannungsmessungen vorzunehmen. Wenn die Kalibriereinrichtung 70 verwendet wird, um den Differenzverstärker 66 zu kalibrieren, werden der Gleichtaktspannungsfehler und der Gleichspannungs-Offset des Differenzverstärkers erhalten. Während der Messung wird jedoch die Ausgabe des Differenzverstärkers 66 die gleiche sein, wie sie war, bevor die Kalibrierung durchgeführt wurde (d. h. bei dem Beispiel 0,80 V). Daher muss die Gleichung 3 verwendet werden, um die tatsächliche Zellspannung zu erhalten und den Restfehler bedeutsam zu verringern.
Auch wenn es schwierig ist, für jede Brennstoffzelle die genaue Zellspannung zu kennen, ist es bekannt, dass einzelne Brennstoffzellen während eines normalen Betriebs näherungsweise zwischen 0,5 V bis 1,0 V arbeiten. Indem eine Kalibriereinrichtung angewendet wird, die für Spannungspegel sorgt, die diesen Zellspannungen nahe ist, kann die Mehrzahl von Differenzverstärkern 12 kalibriert werden, bevor sie verwendet werden, um die Zellspannungen von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 13 zu messen. Daher können der Gleichtaktspannungsfehler und der Gleichspannungs-Offset jedes Differenzverstärkers erhalten werden. Folglich steigt die Genauigkeit des Systems 10 zur Überwachung von Brennstoffzellspannungen durch Kalibrierung jedes Differenzverstärkers bedeutsam an.
Weil einzelne Brennstoffzellen in dem Bereich von 0,5 V bis 1,0 V arbeiten, kann davon ausgegangen werden, dass jede Brennstoffzelle eine Zellspannung von 0,75 V hat. Dies ist eine mittlere Spannung, bei der Brennstoffzellen während normaler Verwendung arbeiten. Daher wird während der Kalibrierung ein Inkrement von 0,75 V verwendet, was bedeutet, dass die Kalibriereinrichtung Spannungen bereitstellt, als ob der obere Anschluß der Brennstoffzelle 1 auf 0,75 V liegt, der obere Anschluß der Brennstoffzelle 2 auf 1,5 V liegt, der obere Anschluß der Brennstoffzelle 3 auf 2,25 V liegt und der obere Anschluß der Brennstoffzelle 101 auf 76,5 V liegt, wie in 3b gezeigt. Der Erfinder hat festgestellt, dass, indem dieses Verfahren in der Praxis verwendet wird, jeder Differenzverstärker bei einer Gleichtaktspannung kalibriert wurde, die der tatsächlichen Gleichtaktspannung an den Zellanschlüssen jeder Brennstoffzelle nahe war, wenn jede Brennstoffzelle unter idealen Bedingungen arbeitete. Folglich waren die gemessenen Zellspannungen der aktuellen Zellspannung jeder Brennstoffzelle nahe.
Auch wenn das Kalibrierverfahren den Restfehler nicht vollständig beseitigt, verringert es bedeutsam den Restfehler und in bemerkenswertester Weise den Gleichtaktspannungsfehler. Ferner ist der Gleichtaktspannungsfehler, der während der Spannungs messung eines vorgegebenen Differenzverstärkers auftritt, nach der Kalibrierung nicht länger proportional zu der Gleichttaktspannung an den Eingängen des Differenzverstärkers. Der Gleichtaktspannungsfehler ist nun proportional zu dem Unterschied zwischen der tatsächlichen Gleichtaktspannung an den Eingängen und der angenommenen Gleichtaktspannung, die für jede Brennstoffzelle während der Kalibrierung verwendet wurde. Dieser Unterschied ist zufällig und erhöht sich nicht, wenn die Anzahl von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 13 ansteigt. Daher wird der Gleichtaktspannungsfehler während einer Zellspannungsmessung auf einem sehr niedrigen Niveau gehalten. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Zellspannung von Brennstoffzellen in einem großen Brennstoffzellenstapel gemessen wird.
Das System 10 zur Überwachung von Brennstoffzellenspannungen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet allgemein verfügbare Komponenten, die kostengünstig sind und keine Hardwareanpassungen erfordern. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein einfach zu verwendendes und sehr genaues Messsystem bereit. Ferner weist die vorliegende Erfindung, verglichen mit vorhandenen Systemen zur Überwachung von Zellspannungen, weniger Komponenten auf, was die Gesamtgröße des Systems bedeutsam verringert. Daher kann das System 10 zur Überwachung von Brennstoffzellspannungen auf einfache weise in eine Vorrichtung zum Überprüfen von Brennstoffzellen integriert werden.
Es sollte ersichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung nicht nur zum Überwachen der Spannungen einzelner Brennstoffzellen in Brennstoffzellenstapeln vorgesehen ist, sondern auch zur Überwachung der Spannungen in jeglicher Art einer Batterie mit mehreren Zellen, die durch Verbinden einzelner Zellen in Reihe gebildet ist. Die vorliegende Erfindung kann auch verwendet werden, um die Spannung einer einzelnen Zelle, Batterie, Batteriebank oder Elektrolysegerät zu überwachen.
Es sollte ferner verständlich sein, dass verschiedene Modifikationen an Fachleuten auf dem Gebiet hinsichtlich der bevorzug ten Ausführungsform vorgenommen werden können, die hier beschrieben und veranschaulicht wurde, ohne sich dabei von der vorliegenden Erfindung zu entfernen, deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

System (10) zum Überwachen von wenigstens einer Zellspannung einer elektrochemischen Vorrichtung, wobei die Vorrichtung eine Mehrzahl von Zellen (8, 20) aufweist, die in Reihe verbunden sind, wobei jede Zelle zwei Anschlüsse bereitstellt, wobei das System umfasst: eine Mehrzahl von Differenzverstärkern (12), wobei jeder Differenzverstärker (14, 16) zwei Eingänge (34, 36, 46, 48) und einen Ausgang (50, 52) aufweist, wobei jeder Ausgang (50, 52) der Mehrzahl von Differenzverstärkern (12) eine Gleichtakthochspannung sperrt, wobei die Eingänge von wenigstens einem der Mehrzahl von Differenzverstärkern (12) bei Verwendung mit zwei der Anschlüsse desselben verbunden sind, um eine Differenzspannung zu messen. ein Schaltnetzwerk (22), das eine Mehrzahl von Eingängen und einen Ausgang aufweist; einen Analog-Digital-Wandler (24), der einen Eingang aufweist, der mit dem Ausgang des Schaltnetzwerks (22) verbunden ist, und wobei jeder der Mehrzahl von Eingängen des Schaltnetzwerks (22) mit dem Ausgang (50, 52) von einem der Differenzverstärker (14, 16) verbunden ist, der Analog-Digital-Wandler (24) ausgelegt ist, digitale Werte bereitzustellen, die die Differenzspannung angeben, die von dem wenigstens einen der Mehrzahl von Differenzverstärkern (12) gemessen wird; eine Steuereinrichtung (26), die mit dem Schaltnetzwerk (22) und dem Analog-Digital-Wandler (24) verbunden ist, um den Betrieb des Schaltnetzwerks (22) und des Analog-Digital-Wandlers (24) zu steuern und um die digitalen Werte zu empfangen, wobei das System gekennzeichnet ist durch: eine Berechnungseinrichtung, die mit dem Ausgang von einem der Analog-Digital-Wandler (24) verbunden ist, und die Steuereinrichtung (26), die eine Einrichtung zum Empfangen der digitalen Werte umfasst und einen Faktor auf die digitalen Werte anwendet, um Gleichtaktspannungsfehler von diesen zu entfernen.
System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Differenzverstärker (14, 16) ausgelegt ist, eine Gleichtaktspannung von 200 V zu sperren.
System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (26) die Berechnungseinrichtung bereitstellt.
System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (26) einen Mikroprozessor umfasst.
System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) ferner einen Computer (28) umfasst und die Steuereinrichtung (26) mit dem Computer (28) verbunden ist.
System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinrichtung eine lineare Gleichung anwendet, um Fehler aus den digitalen Werten zu entfernen, wobei die lineare Gleichung durch eine Kalibrierung von wenigstens zwei Eingangsspannungen definiert ist.
System (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) wenigstens eine Kalibriereinrichtung (70) umfasst, die mit einem der Mehrzahl von Differenzverstärkern (12) verbindbar ist, um den Faktor zu ermitteln.
System (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kalibiereinrichtung ausgelegt ist, zwei Kalibierspannungen den Eingängen (50, 52) des Einen der Mehrzahl von Differenzverstärkern (12) bereit zu stellen, wobei die zwei Kalibrierspannungen um ein konstantes Spannungsinkrement voneinander versetzt sind, um eine Differenzspannung und eine Gleichtaktspannung an den Anschlüssen von einer der Mehrzahl von Zellen (18, 20) zu emulieren.
System (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das konstante Spannungsinkrement in dem Bereich von 0,5 V bis 1 V gewählt ist.
System (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das konstante Spannungsinkrement 0,75 V beträgt.
System (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinrichtung den Faktor auf die digitalen Werte anwendet, die durch Abtasten von von einem von der Mehrzahl von Differenzverstärkern (12) ausgewählten Differenzverstärkern (14, 16) gemessenen Spannungswerten gemäß
ermittelt sind, wobei V_a eine auf den ersten und zweiten Kalibierspannungen basierende Spannung ist, die über den Eingängen des ausgewählten Differenzialverstärkers (14, 16) angelegt wird, V_ADC(V_A) die Spannung ist, die an dem Ausgang des Analog-Digital-Wandlers (24) gemessen wird, wenn V_A an die Eingänge (50, 52) des ausgewählten Differenzialverstärkers (14, 16) differentiell angelegt wird, V_ADC(V₀) die Spannung ist, die an dem Ausgang des Analog-Digital-Wandlers (24) gemessen wird, wenn die Eingänge (34, 36, 46, 48) des ausgewählten Differenzialverstärkers (14, 16) mit Masse verbunden sind, V_OFF die Offset-Gleichspannung ist, die an dem Ausgang des ausgewählten Differenzialverstärkers (14, 16) gemessen wird, wenn die Eingänge (34, 36, 46, 48) des Differenzialverstärkers (14, 16) auf Masse gelegt werden, und V_ADC die digitalen Werte angibt, von denen die Gleichtaktspannungsfehler entfernt werden.
Verfahren zum Überwachen wenigstens einer Zellspannung für eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen (18, 20), die in Reihe verbunden sind, wobei die elektrochemischen Zellen (18, 20) zwei Anschlüsse aufweisen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Verbinden von zwei der Anschlüsse der Mehrzahl von elektrochemischen Zellen (18, 20) mit den Eingängen (34, 36, 46, 48) eines Differenzialverstärkers (14, 16), wobei der Differenzverstärker (14, 16) zwei Eingänge (34, 36, 46, 48) und einen Ausgang (50, 52) aufweist, wobei die zwei Anschlüsse erste und zweite Spannungen bereitstellen, die eine Gleichtaktspannung aufweisen; (b) Sperren der Gleichtaktspannung in dem Differenzverstärker (14, 16), um eine Differenzspannung zwischen den zwei Anschlüssen zu messen; (c) Umwandeln der Differenzspannung von einem analogen in einen digitalen Wert; und gekennzeichnet durch (d) Anwenden eines Faktors auf den digitalen Wert, um einen Gleichtaktspannungsfehler von der Differenzspannung zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (a) ferner umfasst, eine Mehrzahl von Differenzverstärkern (12) bereitzustellen, wobei jeder Differenzverstärker (14, 16) zwei Eingänge (34, 36, 46, 48) und einen Ausgang (50, 52) aufweist, und zusätzliche Paare von Anschlüssen der Mehrzahl von elektrochemischen Zellen (18, 20) mit der Mehrzahl von Differenzverstärkern (12) zu verbinden, wobei jedes der Paare von Anschlüssen mit Eingängen (34, 36, 46, 48) von einem der Mehrzahl der Differenzverstärker (14, 16) verbunden ist, wobei die zusätzlichen Paare von Anschlüssen jeweils eine Gleichtaktspannung aufweisen, und die Schritte (b), (c) und (d) für jeden der Differenzverstärker (14, 16) durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner umfasst, die Ausgänge (50, 52) der Differenzverstärker (14, 16) über ein Schaltnetzwerk (22) mit einem Analog-Digital-Wandler (24) zu verbinden, wobei das Schaltnetzwerk (22) verwendet wird, um den Ausgang (50, 52) von einem der Differenzverstärker (14, 16) zu dem Analog-Digital- Wandler (24) für eine Analog-Digital-Wandlung der Differenzspannung an dem Ausgang des einen Differenzialverstärkers (14, 16) zu schalten.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner umfasst, eine Steuereinrichtung (26) bereitzustellen, um das Schaltnetzwerk (22) und den Analog-Digital-Wandler (24) zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner umfasst, die Steuereinrichtung (26) als Mikroprozessor bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (d) umfasst, eine lineare Gleichung zum Entfernen von Fehlern aus den digitalen Werten anzuwenden, wobei die lineare Gleichung durch eine Kalibrierung von wenigstens zwei Eingangsspannungen definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner den Schritt umfasst: (e) bekannte erste und zweite Kalibrierspannungen von einer Kalibriereinrichtung den Eingängen jedes Differenzialverstärkers (14, 16) bereitzustellen und die Spannung an dem Ausgang desselben (50, 52) zu messen, um den Faktor zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst, den Schritt (e) für jeden Differentialverstärker zu bewirken gemäß den Schritten: (f) Verbinden des Ausgangs (50, 52) des Differenzialverstärkers (14, 16) mit einem Analog-Digital-Wandler, (g) Anlegen einer Spannung V_A, die auf den ersten und zweiten Kalibrierspannungen basiert, über den Eingängen (34, 36, 46, 48) des Differenzialverstärkers (14, 16) und Messen von V_A (h) Messen der Ausgabe (V_ADC(V_A)) des Analog-Digital-Wandlers (24), wenn V_A an die Eingänge des Differenzialverstärkers (14, 16) differentiell angelegt wird, (i) Messen der Ausgabe (V_ADC(V₀)) des Analog-Digital-Wandlers (24), wenn die Eingänge (34, 36, 46, 48) des Differentialverstärkers (14, 16) mit Masse verbunden sind, und (j) Messen der Offset-Gleichspannung (V_OFF) an dem Ausgang (50, 52) des Differenzialverstärkers (14, 16), wenn die Eingänge (34, 36, 46, 48) des Differenzialverstärkers (14, 16) auf Masse gelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner umfasst, eine kalibrierte gemessene Zellspannung (V_R) zu berechnen, um die wenigstens eine Zellspannung zu überwachen, wobei die gemessene Zellspannung (V_R) auf einer gemessenen Spannung basiert, die aus der Ausgabe (V_ADC) des Analog-Digital-Wandlers (24) erhalten wird, wenn die Eingänge (34, 36, 46, 48) des Differenzialverstärkers (14, 16) über zwei der Anschlüsse verbunden sind, wobei die Berechnung ausgeführt wird gemäß:
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner umfasst, Differenzverstärker (14, 16) bereitzustellen, die eine Gleichtaktspannung von 200 V sperren können.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner umfasst, die zweite Kalibrierspannung mit einem konstanten Spannungsinkrement hinsichtlich der ersten Kalibrierspannung bereitzustellen, um die Differenzspannung und die Gleichtaktspannung zu emulieren, die unter normalen Betriebszuständen an den Anschlüssen einer Zelle der Mehrzahl von elektrochemischen Zellen (18, 20) erwartet werden würden.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner umfasst, das konstanten Spannungsinkrement in dem Bereich von 0,5 V bis 1 V auszuwählen.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner umfasst, das konstanten Spannungsinkrement so auszuwählen, dass es 0,75 V beträgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner umfasst, die Zellspannung jeder der elektrochemischen Zellen (18, 20) nacheinander zu überwachen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner umfasst, die Zellspannung von einer elektrochemischen Zellen (18, 20) zu irgendeinem Zeitpunkt zu überwachen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner umfasst, das Verfahren anzuwenden, um Brennstoffzellenspannungen zu messen.