專利名稱：用板嵌入測(cè)量單元測(cè)量和傳輸燃料電池堆電池電壓的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及一種燃料電池堆監(jiān)控系統(tǒng)，且更具體地涉及一種采用在燃料電池堆每個(gè)端部的聚合裝置和旁路故障光學(xué)信號(hào)裝置來(lái)確定該堆中的燃料電池或燃料電池組的測(cè)量參數(shù)的燃料電池堆的監(jiān)控系統(tǒng)，其中所述聚合裝置用于收集光學(xué)信號(hào)。
背景技術(shù)：
氫因其清潔以及可以用于在燃料電池中有效地產(chǎn)生電而成為一種非常有吸引力的燃料。氫燃料電池是一種包括陽(yáng)極和陰極以及其間的電解質(zhì)的電化學(xué)裝置。陽(yáng)極接收氫氣，而陰極接收氧或空氣。氫氣在陽(yáng)極側(cè)催化劑中被離解以產(chǎn)生自由質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陰極。質(zhì)子與陰極側(cè)催化劑中的氧和電子發(fā)生反應(yīng)以產(chǎn)生水。來(lái)自陽(yáng)極的電子不能穿過(guò)電解質(zhì)，并且因此在被傳輸至陰極之前被引導(dǎo)通過(guò)負(fù)載以做功。質(zhì)子交換薄膜燃料電池(PEMFC)是一種用于車輛的受歡迎的燃料電池。PEMFC — 般包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，比如全氟磺酸膜。陽(yáng)極和陰極電極(催化劑層)往往包括支撐在碳粒子上且與離聚物混合的細(xì)分的催化粒子，通常是鉬(Pt)。催化混合物沉積在膜的相對(duì)側(cè)。陽(yáng)極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合定義了膜電極組件(MEA)。 每個(gè)MEA通常夾在兩片多孔材料(氣體擴(kuò)散層(GDL))之間，其中所述多孔材料用來(lái)保護(hù)膜的機(jī)械完整性并且有助于反應(yīng)物和濕度的均勻分布。MEA的將陽(yáng)極和陰極流分開(kāi)的部分被稱為有源區(qū)，并且僅在該區(qū)域中，水蒸氣能在陽(yáng)極和陰極之間自由地進(jìn)行交換。MEA的制造成本相對(duì)較高并且需要特定的濕度條件以進(jìn)行有效的工作。通常，幾個(gè)燃料電池組合成燃料電池堆以產(chǎn)生期望的功率。比如，用于車輛的典型的燃料電池堆可具有兩百或者更多堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入反應(yīng)氣體， 通常是通過(guò)壓縮機(jī)而強(qiáng)迫通過(guò)燃料電池堆的空氣流。不是所有的氧都被燃料電池堆所消耗，一些空氣作為陰極排氣被輸出，該陰極排氣可包括作為反應(yīng)副產(chǎn)物的水。燃料電池堆還接收流進(jìn)堆的陽(yáng)極側(cè)的陽(yáng)極氫反應(yīng)氣體。堆還包括冷卻流體流動(dòng)通過(guò)的流動(dòng)通道。燃料電池堆包括一系列位于堆中的幾個(gè)MEA之間的雙極板(隔離器)，其中雙極板和MEA位于兩塊端板之間。雙極板包括用于堆中相鄰燃料電池的陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)流量分配器(流場(chǎng))。在雙極板的陽(yáng)極側(cè)上提供有陽(yáng)極氣體流動(dòng)通道以允許陽(yáng)極反應(yīng)氣體流動(dòng)到相應(yīng)的MEA。在雙極板的陰極側(cè)上提供有陰極氣體流動(dòng)通道以允許陰極反應(yīng)氣體流動(dòng)到相應(yīng)的MEA。一塊端板包括陽(yáng)極氣體流動(dòng)通道，而另一塊端板包括陰極氣體流動(dòng)通道。雙極板和端板由比如不銹鋼或?qū)щ娊M合物的導(dǎo)電材料制成。在堆疊后，這些部件往往在壓縮狀態(tài)下被放置以使得接觸電阻最小化并且接近密封。端板將由燃料電池產(chǎn)生的電傳導(dǎo)至堆之外。 雙極板還包括冷卻流體流動(dòng)通過(guò)的流體通道。高頻電阻(HFR)是燃料電池公知的特性，并且其與燃料電池膜的歐姆電阻或膜質(zhì)子電阻是密切相關(guān)的。歐姆電阻本身是燃料電池膜濕度的函數(shù)。因此，通過(guò)測(cè)量在激勵(lì)電流頻率的特定帶寬內(nèi)的燃料電池堆的燃料電池膜的HFR，就可確定燃料電池膜的濕度。該 HFR測(cè)量允許對(duì)燃料電池膜濕度的獨(dú)立測(cè)量，從而不需要RH傳感器。
典型地，燃料電池堆中的每個(gè)燃料電池的電壓輸出和可能的高頻電阻(HFR)被監(jiān)控以使得系統(tǒng)知道燃料電池電壓或燃料電池HFR是否超出了期望的范圍，從而顯示可能的失效。正如現(xiàn)有技術(shù)中所理解的，因?yàn)樗械娜剂想姵囟际且源?lián)的方式電連接的，如果堆中的一個(gè)燃料電池失效，則整個(gè)堆都將失效。作為臨時(shí)解決方案，可以對(duì)失效的燃料電池采取某些修補(bǔ)措施，直到可以對(duì)燃料電池車輛進(jìn)行維修。這種修補(bǔ)措施包括增加氫氣流和/ 或增加陰極化學(xué)計(jì)量。往往通過(guò)監(jiān)控包括連接到堆中的每個(gè)雙極板和堆的端板的引線的子系統(tǒng)來(lái)測(cè)量燃料電池電壓和燃料電池的HFR。因此，400電池堆包括連接至堆的401條引線。因?yàn)榭紤]到部件的尺寸、部件的公差以及部件的數(shù)量等，為具有這么多燃料電池的堆中的每個(gè)雙極板提供物理連接是不實(shí)際的。因此，在現(xiàn)有技術(shù)中需要提供一種不需要連接至每個(gè)雙極板的引線就能測(cè)量電池電壓和HFR的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開(kāi)了一種對(duì)來(lái)自燃料電池堆中每個(gè)燃料電池或燃料電池組的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)南到y(tǒng)。該系統(tǒng)包括多個(gè)燃料電池和多個(gè)堆疊板，在每個(gè)燃料電池之間且在所述堆的每個(gè)端部上有堆疊板。該系統(tǒng)還包括多個(gè)嵌入智能板，每個(gè)嵌入智能板被機(jī)電連接至燃料電池堆中的多個(gè)堆疊板中的至少一個(gè)，并且每個(gè)嵌入智能板包括在嵌入智能板的頂側(cè)和底側(cè)上的光收發(fā)器。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括第一和第二聚合裝置，所述第一和第二聚合裝置包括至少一個(gè)光收發(fā)器，所述光收發(fā)器用于與鄰近第一或第二聚合裝置的嵌入智能板進(jìn)行通信，其中一個(gè)聚合裝置啟動(dòng)與嵌入智能板的通信而另一個(gè)聚合裝置結(jié)束通本發(fā)明提供如下技術(shù)方案技術(shù)方案1 一種用于傳輸來(lái)自燃料電池堆中的燃料電池的測(cè)量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括多個(gè)燃料電池，每一個(gè)燃料電池都產(chǎn)生電勢(shì)；多個(gè)堆疊板，包括在每個(gè)燃料電池之間且在燃料電池堆的每個(gè)端部上的一個(gè)堆疊板以收集由每個(gè)燃料電池產(chǎn)生的電勢(shì)；多個(gè)嵌入智能板，每個(gè)嵌入智能板均被機(jī)械地且電連接至燃料電池堆中的多個(gè)堆疊板中的至少一個(gè)，每個(gè)嵌入智能板均包括在嵌入智能板的頂側(cè)和底側(cè)上的光收發(fā)器，每個(gè)嵌入智能板經(jīng)由來(lái)自鄰近堆疊板的燃料電池的電勢(shì)而接收來(lái)自燃料電池堆的工作功率， 而嵌入智能板被連接至該堆疊板；以及位于燃料電池堆中的多個(gè)嵌入智能板的一端的第一聚合裝置和位于堆中的多個(gè)嵌入智能板的另一端的第二聚合裝置，所述第一和第二聚合裝置包括至少一個(gè)用于與嵌入智能板進(jìn)行通信的光收發(fā)器，其中第一聚合裝置啟動(dòng)與嵌入智能板的通信以使得嵌入智能板通過(guò)堆連續(xù)地通信，直到第二聚合裝置在接收來(lái)自堆中的最后一個(gè)嵌入智能板的通信后結(jié)束通信。技術(shù)方案2 根據(jù)技術(shù)方案1的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括在第一和第二聚合裝置之間的電連接，以使得在第一和第二聚合裝置之間能夠直接進(jìn)行通信。技術(shù)方案3 根據(jù)技術(shù)方案2的系統(tǒng)，其中第一聚合裝置利用第一和第二聚合裝置之間的電連接以啟動(dòng)自第二聚合裝置至嵌入智能板的通信，從而防止由于單個(gè)嵌入智能板的失效或不起作用而導(dǎo)致來(lái)自一部分堆的測(cè)量數(shù)據(jù)的丟失。技術(shù)方案4 根據(jù)技術(shù)方案1的系統(tǒng)，其中在嵌入智能板的每一個(gè)上和在第一和第二聚合裝置上的光收發(fā)器的每一個(gè)均包括光發(fā)射器和光接收器。技術(shù)方案5 根據(jù)技術(shù)方案4的系統(tǒng)，其中在嵌入智能板的每一個(gè)上和在第一和第二聚合裝置上的光收發(fā)器與在相鄰嵌入智能板和/或聚合裝置上的光接收器對(duì)準(zhǔn)。技術(shù)方案6 根據(jù)技術(shù)方案1的系統(tǒng)，其中位置和諸如電池電壓、高頻電阻和/或溫度的測(cè)量值通過(guò)嵌入智能板經(jīng)由光收發(fā)器被傳輸至第一或第二聚合裝置。技術(shù)方案7 根據(jù)技術(shù)方案1的系統(tǒng)，其中每個(gè)嵌入智能板包括具有低輸入電壓 DC-DC轉(zhuǎn)換器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、微處理器和參考電壓的嵌入智能板印刷電路板。技術(shù)方案8 根據(jù)技術(shù)方案1的系統(tǒng)，其中第一和第二聚合裝置包括微處理器并且被電連接至電池。技術(shù)方案9 根據(jù)技術(shù)方案1的系統(tǒng)，其中嵌入智能板以柱狀的布置方式被嵌入進(jìn)燃料電池堆中。技術(shù)方案10 —種用于傳輸來(lái)自燃料電池堆中的燃料電池的測(cè)量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括多個(gè)燃料電池；多個(gè)堆疊板，其包括在每個(gè)燃料電池之間且在所述堆的每個(gè)端部上的一個(gè)堆疊板；多個(gè)嵌入智能板，每個(gè)嵌入智能板均被機(jī)械地且電連接至燃料電池堆中的多個(gè)堆疊板中的至少一個(gè)，每個(gè)嵌入智能板均包括在嵌入智能板的頂側(cè)和底側(cè)上的光收發(fā)器；以及第一和第二聚合裝置，所述第一和第二聚合裝置包括至少一個(gè)用于與鄰近第一或第二聚合裝置的嵌入智能板進(jìn)行通信的光收發(fā)器，其中一個(gè)聚合裝置啟動(dòng)與嵌入智能板的通信，而另一個(gè)聚合裝置結(jié)束通信。技術(shù)方案11 根據(jù)技術(shù)方案10的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括在第一和第二聚合裝置之間的電連接，以使得在第一和第二聚合裝置之間能夠直接進(jìn)行通信。技術(shù)方案12 根據(jù)技術(shù)方案11的系統(tǒng)，其中第一聚合裝置利用第一和第二聚合裝置之間的電連接以啟動(dòng)自第二聚合裝置至嵌入智能板的通信，從而防止由于單個(gè)嵌入智能板的失效或不起作用而導(dǎo)致來(lái)自一部分堆的測(cè)量數(shù)據(jù)的丟失。技術(shù)方案13 根據(jù)技術(shù)方案10的系統(tǒng)，其中在嵌入智能板的每一個(gè)上和在第一和第二聚合裝置上的光收發(fā)器的每一個(gè)均包括光發(fā)射器和光接收器。技術(shù)方案14 根據(jù)技術(shù)方案13的系統(tǒng)，其中在嵌入智能板的每一個(gè)上和在第一和第二聚合裝置上的光收發(fā)器與在相鄰的嵌入智能板和/或相鄰的聚合裝置上的光接收器對(duì)準(zhǔn)。技術(shù)方案15 根據(jù)技術(shù)方案10的系統(tǒng)，其中位置和諸如電池電壓、高頻電阻和/ 或溫度的測(cè)量值通過(guò)嵌入智能板經(jīng)由光收發(fā)器被傳輸至第一或第二聚合裝置。技術(shù)方案16 根據(jù)技術(shù)方案10的系統(tǒng)，其中每個(gè)嵌入智能板包括具有低輸入電壓 DC-DC轉(zhuǎn)換器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、微處理器和參考電壓的嵌入智能板印刷電路板。
技術(shù)方案17 根據(jù)技術(shù)方案10的系統(tǒng)，其中第一和第二聚合裝置包括微處理器并且被電連接至電池。技術(shù)方案18 —種用于傳輸來(lái)自燃料電池堆中的燃料電池的測(cè)量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括多個(gè)燃料電池；多個(gè)堆疊板，包括在每個(gè)燃料電池之間且在所述堆的每個(gè)端部上的一個(gè)堆疊板；多個(gè)嵌入智能板，每個(gè)嵌入智能板均被機(jī)械地且電連接至多個(gè)堆疊板中的至少一個(gè)，每個(gè)嵌入智能板均包括嵌入智能板印刷電路板和在每個(gè)智能板的頂側(cè)和底側(cè)上的光收發(fā)器；位于堆中的多個(gè)嵌入智能板的一個(gè)端部的第一聚合裝置和位于堆中的多個(gè)嵌入智能板的另一端部的第二聚合裝置，所述嵌入智能板以及第一和第二聚合裝置以柱形的布置方式布置，并且所述第一和第二聚合裝置包括至少一個(gè)用于與鄰近第一或第二聚合裝置的嵌入智能板進(jìn)行通信的光收發(fā)器；以及構(gòu)造成控制所述第一聚合裝置的控制器，其中所述控制器請(qǐng)求所述第一聚合裝置與相鄰的嵌入智能板進(jìn)行通信以使得嵌入智能板通過(guò)所述堆連續(xù)地通信，直到所述第二聚合裝置在接收來(lái)自所述堆中的最后一個(gè)嵌入智能板的通信后結(jié)束通信。技術(shù)方案19 根據(jù)技術(shù)方案18的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括在第一和第二聚合裝置之間的電連接，以使得在第一和第二聚合裝置之間能夠直接進(jìn)行通信，其中所述第一聚合裝置采用第一和第二聚合裝置之間的電連接以啟動(dòng)自所述第二聚合裝置至所述嵌入智能板的通信，從而防止由于單個(gè)嵌入智能板的失效或不起作用而導(dǎo)致的來(lái)自一部分所述堆的測(cè)量數(shù)據(jù)丟失。技術(shù)方案20 根據(jù)技術(shù)方案18的系統(tǒng)，其中在嵌入智能板的每一個(gè)上和在第一和第二聚合裝置上的光收發(fā)器的每一個(gè)均包括光發(fā)射器和光接收器，并且在嵌入智能板的每一個(gè)上和在第一和第二聚合裝置上的光收發(fā)器與在相鄰的嵌入智能板和/或相鄰的聚合裝置上的所述光接收器對(duì)準(zhǔn)。結(jié)合附圖，從下面的描述和所附權(quán)利要求中將清楚本發(fā)明的其他特征。


圖1是包括具有多個(gè)燃料電池和嵌入智能板的燃料電池堆的燃料電池系統(tǒng)的平面圖；圖2是圖1所示的嵌入智能板中的一個(gè)的簡(jiǎn)化框圖；圖3是聚合裝置如何啟動(dòng)通信并確定圖1所示的智能板的每個(gè)所收集的位置和數(shù)據(jù)的流程圖；以及圖4是具有多個(gè)燃料電池、嵌入智能板和兩個(gè)聚合裝置的燃料電池系統(tǒng)的平面圖，其中聚合裝置用于收集堆中的智能板的位置和測(cè)量數(shù)據(jù)。
具體實(shí)施例方式涉及采用在堆的每個(gè)端部的聚合裝置以利用光學(xué)信號(hào)確定燃料電池堆中的燃料電池或燃料電池組的測(cè)量參數(shù)的系統(tǒng)和方法的本發(fā)明的實(shí)施例的以下討論在本質(zhì)上僅僅是示例性的，而絕非意圖限制本發(fā)明或它的應(yīng)用或使用。圖1是系統(tǒng)10的平面圖，系統(tǒng)10包括具有多個(gè)燃料電池14的燃料電池堆12。雖然為了清楚起見(jiàn)而沒(méi)有示出，但是正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所容易知道的，每個(gè)燃料電池14包括燃料電池膜、陽(yáng)極側(cè)擴(kuò)散介質(zhì)層和陰極側(cè)擴(kuò)散介質(zhì)層。堆疊板20也是系統(tǒng)10的部分，比如每個(gè)燃料電池14之間的雙極板和堆12的每個(gè)端部上的單極板，其中堆疊板20面對(duì)陽(yáng)極側(cè)擴(kuò)散介質(zhì)層一側(cè)包括陽(yáng)極側(cè)反應(yīng)氣體流動(dòng)通道(未示出)，而堆疊板20面對(duì)相鄰燃料電池14 一側(cè)包括陰極反應(yīng)氣體流動(dòng)通道(未示出)。另外，堆疊板20包括冷卻流體流動(dòng)通道 (未示出)。在利用堆中的燃料電池的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)而被連續(xù)測(cè)量的燃料電池堆中，期望測(cè)量特定的參數(shù)以控制堆的工作。這種參數(shù)可包括單個(gè)電池或電池組上的電勢(shì)、堆內(nèi)特定點(diǎn)處的溫度、或者可通過(guò)電信號(hào)或數(shù)值表示的任何其他可量化的參數(shù)，比如高頻電阻 (HFR)。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)嵌入智能板(ESP)30測(cè)量諸如每個(gè)燃料電池14或燃料電池組 14的電壓或HFR的測(cè)量值。每個(gè)ESP 30均包括ESP印刷電路板32 (將在下面進(jìn)行詳細(xì)描述)以及至少一個(gè)用于將ESP印刷電路板32連接至堆疊板20中的一個(gè)的連接器觀。因此，ESP 30以類似于以柱形布置的堆12的方式布置并可能嵌入在堆12中以使得堆12中的每個(gè)ESP印刷電路板32緊鄰地放置在鄰近它的每個(gè)印刷電路板32之上或之下。當(dāng)ESP 30被嵌入和/或由堆12的電池14供電時(shí)，在維持ESP 30和比如聚合裝置40(下面進(jìn)行敘述)的控制裝置之間的電絕緣同時(shí)與ESP 30進(jìn)行通信是必須的，因?yàn)槿剂想姵囟?2的工作可在堆12和聚合裝置40之間產(chǎn)生巨大的共模電勢(shì)。為了維持必要的電絕緣，本發(fā)明采用聚合裝置40。鄰近聚合裝置40的ESP30是通信的起點(diǎn)。聚合裝置40 被放置在燃料電池堆12內(nèi)的某個(gè)位置(往往是在一個(gè)端部)以請(qǐng)求和調(diào)整堆12中的每個(gè)燃料電池14或燃料電池組14的位置和測(cè)量值。每個(gè)ESP 30被機(jī)械地且電連接至堆疊板20中的至少一個(gè)，由此允許ESP印刷電路板32接收來(lái)自例如燃料電池14或燃料電池組14的寄生工作功率并且測(cè)量燃料電池14 或燃料電池組14的各種測(cè)量的值(諸如電壓)，該燃料電池14或燃料電池組14對(duì)應(yīng)于刷電路板32與其連接的堆疊板20。系統(tǒng)10示出了 ESP30連接至燃料電池堆12中每隔一個(gè)堆疊板20，從而要求每個(gè)ESP 30測(cè)量堆12中的兩個(gè)燃料電池14的例如電壓。在替代的實(shí)施例中，每個(gè)ESP 30可采用各種互連裝置電連接至5個(gè)連續(xù)的堆疊板20，從而由單個(gè)ESP 30確定4個(gè)燃料電池14的測(cè)量值。ESP印刷電路板32中的每個(gè)還包括安裝在電路板32 的幾何頂面和底面上的光收發(fā)器34。采用光收發(fā)器34以經(jīng)由可在ESP 30之間傳輸?shù)恼{(diào)制信號(hào)來(lái)發(fā)送和接收信息，如下面將詳細(xì)描述的。聚合裝置40 (ESP印刷電路板32的變形)不是從燃料電池14而是從電池42接收工作功率，因此在不需要利用昂貴的電絕緣部件的情況下維持ESP 30和聚合裝置40之間的電流隔離。聚合裝置40利用位于其上的光收發(fā)器34啟動(dòng)與燃料電池堆12中的第一 ESP 30的通信以確定堆12中的第一 ESP 30的位置，以及收集與堆疊板20關(guān)聯(lián)的燃料電池 14或燃料電池組14的比如最小測(cè)量電壓，第一 ESP 30連接至該堆疊板20。堆12中的每個(gè)ESP30都參與通信，使用例如9/N/1協(xié)議，來(lái)確定堆12中以菊鏈方式布置(即串聯(lián))的每個(gè)燃料電池14的位置和最小電池電壓，直到獲知在堆10中的所有燃料電池12的位置和最小電池電壓。也可以對(duì)燃料電池14進(jìn)行其他測(cè)量，可以每個(gè)燃料電池14的測(cè)量的HFR。 以這種方式，ESP 30連同聚合裝置40，將堆12中的每個(gè)燃料電池14的位置和測(cè)量信息傳輸給聚合裝置40，該聚合裝置然后將位置和測(cè)量信息傳輸給控制系統(tǒng)44。圖2是ESP 30的簡(jiǎn)化框圖，其包括多個(gè)焊接以形成ESP印刷電路板32的電子部件。每個(gè)電路板32均包括低輸入電壓DC-DC轉(zhuǎn)換器52，該轉(zhuǎn)換器52將來(lái)自燃料電池14或燃料電池14組的少量功率轉(zhuǎn)換成ESP印刷電路板32的穩(wěn)定且可用的工作電壓。電路板32 還包括模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器M，該轉(zhuǎn)換器M將燃料電池14或燃料電池14組的差分電壓值 (在下文中稱為“測(cè)量值”)轉(zhuǎn)換成可被電連接至光收發(fā)器34的微處理器56處理和傳輸?shù)闹担瑥亩軌騿⒂门c鄰近的ESP 30和/或聚合裝置40的通信。微處理器56還可確定哪一個(gè)電池具有最小電池電壓或最大電池電壓以及確定也可以經(jīng)由光收發(fā)器34被傳輸?shù)钠渌o助數(shù)據(jù)(比如它本身的工作狀態(tài))。此外，ESP印刷電路板32包括產(chǎn)生穩(wěn)定電壓的參考電壓58以使得產(chǎn)生的穩(wěn)定電壓可通過(guò)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器M與測(cè)量值進(jìn)行比較。在本發(fā)明的非限制性實(shí)施例中，參考電壓58和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器M可集成到微處理器56中。如圖2所示，ESP印刷電路板32中的每個(gè)具有兩個(gè)用于將電路板32連接至堆疊板20的連接器觀。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，可使用各種用于將電路板32連接至堆疊板20的設(shè)計(jì)。正如上文所提到的，每個(gè)ESP印刷電路板32還包括在印刷電路板32的頂部和底部的光收發(fā)器34以使得數(shù)據(jù)能夠傳輸至鄰近的ESP 30和聚合裝置40或從鄰近的ESP 30 和聚合裝置40傳輸。聚合裝置40還包括用于與ESP 30進(jìn)行通信的光收發(fā)器34。光收發(fā)器34中的每個(gè)均包括例如發(fā)光二極管(LED)的光發(fā)射器36和例如半導(dǎo)體光探測(cè)器、光敏晶體管或光電二極管的光接收器38，以用于發(fā)射和接收信息。每個(gè)ESP印刷電路板32的光收發(fā)器34與每個(gè)聚合裝置40對(duì)準(zhǔn)以進(jìn)行光信號(hào)通信。更特別地，第一 ESP印刷電路板32 的光發(fā)射器36與第二 ESP印刷電路板32的光接收器38對(duì)準(zhǔn)，反之亦然，使得第一和第二 ESP印刷電路板32能夠來(lái)回地發(fā)送光信息，如圖1所示。選擇光發(fā)射器36和光接收器38以使得它們各自的光譜發(fā)射率和靈敏度相匹配以及定位成使得中心ESP 30的頂側(cè)上的光發(fā)射器36直接照射到緊鄰中心ESP 30之上的堆中的下一更高ESP 30的光接收器38的光敏區(qū)域上。反之，中心ESP 30上的底部光發(fā)射器 36的取向是直接照射到緊鄰中心ESP 30之下的堆中的下一更低ESP 30的頂側(cè)上的光接收器38上。通過(guò)發(fā)送和接收ESP 30的各自微處理器在光收發(fā)器34的LED/探測(cè)器上交換的數(shù)據(jù)(如上所述)被編組成數(shù)據(jù)位包，其中每個(gè)數(shù)據(jù)位通過(guò)均由光脈沖表示，而脈沖的間隔確定數(shù)據(jù)位的值。正如對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員所顯而易見(jiàn)的，這種通信方法可以是脈沖位置調(diào)制(PPM)。ESP印刷電路板32的所有光收發(fā)器34均對(duì)準(zhǔn)以允許進(jìn)行通信，如以上討論的堆 12中的ESP 30以柱形的布置方式而對(duì)準(zhǔn)一樣。現(xiàn)有技術(shù)中存在許多技術(shù)，其中來(lái)自光收發(fā)器34的光信號(hào)能指示諸如電勢(shì)、HFR 或其他的輔助數(shù)據(jù)(例如，電路板32的工作狀態(tài))的測(cè)量值。例如，在模擬方案中，來(lái)自光發(fā)射器36的光強(qiáng)可以指示電勢(shì)，其中光信號(hào)與電壓成比例。如上討論，電路板32可包括例如DC/DC轉(zhuǎn)換器52的電壓調(diào)節(jié)器以將電壓轉(zhuǎn)換為能夠被光收發(fā)器34所用的水平。同樣， 如上所述，ESP印刷電路板32可包括模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器M以產(chǎn)生頻率調(diào)制的數(shù)字光學(xué)信號(hào)以對(duì)測(cè)量值進(jìn)行編碼。
大部分光收發(fā)器，比如LED，具有大約1. 2伏特的最小正向電壓，使得它們不能用于測(cè)量單個(gè)電池電壓。因此，ESP印刷電路板32還可包括微型升壓器轉(zhuǎn)換器以放大測(cè)量電壓。升壓器轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)路可以被設(shè)計(jì)成使其輸出電流跟隨輸入電壓，使得光收發(fā)器34 的強(qiáng)度隨測(cè)量值而變化。圖3是說(shuō)明系統(tǒng)10如何測(cè)量和傳輸堆12中的每個(gè)燃料電池14或燃料電池14 組的電池電壓的流程圖60。在激活時(shí)，在方框62處，聚合裝置40啟動(dòng)關(guān)于堆12中的第一 ESP30的協(xié)議。聚合裝置40通過(guò)經(jīng)由聚合裝置40和第一 ESP30的ESP印刷電路板32上的光收發(fā)器34進(jìn)行通信而確定第一 ESP 30的Z軸順序位置，所述光收發(fā)器34對(duì)準(zhǔn)以使得來(lái)自聚合裝置40的光發(fā)射器36的信號(hào)直接被傳輸至第一 ESP 30的光收發(fā)器34的光接收器38。在方框64中，每個(gè)ESP30隨后與以菊鏈方式柱狀排列中的下一個(gè)ESP30通信，也就是說(shuō)，通過(guò)使用位于電池堆12中的ESP30的每個(gè)ESP印刷電路板32的頂部和底部上的光收發(fā)器34穿過(guò)串聯(lián)的每個(gè)ESP30來(lái)進(jìn)行傳輸。每個(gè)ESP30的光收發(fā)器34以柱狀排列對(duì)準(zhǔn)，從而如上所述使用光收發(fā)器34將信息發(fā)送和接收至每個(gè)相鄰的ESP30。這樣，可確定燃料電池堆12中的每個(gè)ESP30的ζ軸連續(xù)位置。隨后，在方框66中，使用電池堆12中的每個(gè)ESP30的ζ軸連續(xù)位置來(lái)尋址每個(gè)ESP30并識(shí)別每個(gè)ESP30的測(cè)量值，該每個(gè)ESP30的測(cè)量值是用光收發(fā)器34從每個(gè)ESP30進(jìn)行傳輸。例如，在正常操作期間，每個(gè)ESP 30可連續(xù)地測(cè)量燃料電池14產(chǎn)生的電壓，且更具體地是存在于堆疊板20上的燃料電池膜產(chǎn)生的電壓。當(dāng)在方框68處，聚合裝置40經(jīng)由光收發(fā)器；34給ESP 30發(fā)送測(cè)量電壓的請(qǐng)求時(shí)，在框70處，ESP 30經(jīng)由光收發(fā)器34采用數(shù)字信令對(duì)測(cè)量電壓進(jìn)行傳輸。以這種方式，ESP 30和它們的光收發(fā)器34形成總線數(shù)據(jù) ^^wM^t (bussed data transmission system)。在本發(fā)明的替代實(shí)施例中，ESP 30可采用真實(shí)多點(diǎn)光總線(true multipoint optical bus)來(lái)提高可靠性，如采用利用光管技術(shù)的結(jié)構(gòu)。因此，單個(gè)ESP30的故障不會(huì)中斷測(cè)量值和其他數(shù)據(jù)傳輸至ESP30以及從ESP30進(jìn)行傳輸，該ESP30位于遠(yuǎn)離控制系統(tǒng)44 的ζ軸連續(xù)位置。圖4是與系統(tǒng)10相似的系統(tǒng)80的方框圖，其中類似的元件由相同的附圖標(biāo)記所指示。系統(tǒng)80包括兩個(gè)聚合裝置40，該兩個(gè)聚合裝置40配有互補(bǔ)的光收發(fā)器34以與暴露在堆疊的ESP 30端部處的最頂部和最底部的ESP30的光收發(fā)器34相匹配。聚合裝置40還額外地配有微處理器56，微處理器被電連接至光收發(fā)器34且可電連接至外部控制系統(tǒng)(比如控制系統(tǒng)44)。位于堆疊的ESP30的每個(gè)端部處的聚合裝置40的微處理器56電連接到線路86，使得一個(gè)聚合器作為“主”通信(communications "master")，另一個(gè)作為“從屬” 通信(communications "subordinate，，)，以下將詳細(xì)討論。如上所述，聚合裝置40安置在堆12的每個(gè)端部，從而使得能夠請(qǐng)求并調(diào)整測(cè)量值的傳輸。請(qǐng)求可以是來(lái)自外部裝置(如控制系統(tǒng)44)的射頻(RF)或射頻識(shí)別(RFID)型通信。此外，可以使用電容耦合以在相鄰的ESP30之間傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，從而通過(guò)阻斷DC電壓并使AC電壓通過(guò)來(lái)提供電流隔離。如上所述，在圖4的非限制性實(shí)施例中，系統(tǒng)80在堆12的頂部和底部可裝配有聚合裝置40。聚合裝置40中的一個(gè)作為“主”聚合器82，而另一個(gè)聚合裝置40作為“從屬” 聚合器84。通過(guò)經(jīng)由位于主聚合器82底側(cè)上的光發(fā)射器34向與主聚合器82相鄰的ESP30發(fā)送命令(以脈沖位置調(diào)制(PPM)包的形式)，該主聚合器82開(kāi)始通信。經(jīng)由位于ESP30 頂側(cè)上的光接收器34，與主聚合器82相鄰的ESP30接收該通信。然后，與主聚合器82相鄰的ESP30執(zhí)行由主聚合器82發(fā)出的命令，該命令可以包括捕獲測(cè)量值或把測(cè)量數(shù)據(jù)代入 PPM包的數(shù)據(jù)有效載荷中。在由相鄰的ESP30執(zhí)行來(lái)自主聚合器82的命令后，與主聚合裝置82相鄰的 ESP30,即第一 ESP30，試圖向柱狀排列的下一個(gè)ESP30，即第二 ESP30，發(fā)出命令(可能有變化的有效載荷)。從而，最頂端的ESP30執(zhí)行從主聚合器82發(fā)出的命令，該命令可以包括捕獲測(cè)量值或把測(cè)量數(shù)據(jù)代入PPM包的數(shù)據(jù)有效載荷中。執(zhí)行該命令后，該最頂端的ESP30 試圖向下一個(gè)ESP30發(fā)出該命令(可能有變化的有效載荷)，沿著堆疊的ESP縱向移動(dòng)以 “遠(yuǎn)離”該ESP30。該通信過(guò)程繼續(xù)至電池堆12中的每一個(gè)ESP30，直到通過(guò)堆12中的所有 ESP30重復(fù)命令發(fā)出、命令確認(rèn)和命令執(zhí)行的循環(huán)。系統(tǒng)80使用位于每隔一個(gè)堆置板20上的ESP30，從而系統(tǒng)80中的每個(gè)ESP30測(cè)量堆12中的兩個(gè)燃料電池14的組。例如，主聚合器82傳輸其電壓，第一 ESP30測(cè)量總電壓并減去主聚合器82的電壓，以確定與第一 ESP30相關(guān)聯(lián)的電池14組的測(cè)量電壓值。然后，第一 ESP30可傳輸該總值和它的值，第二 ESP30可減去由第一 ESP30傳輸?shù)脑摽傊狄源_定與第二 ESP30相關(guān)聯(lián)的該電池14組的測(cè)量電壓值。如果控制系統(tǒng)44發(fā)送了最小電壓請(qǐng)求，第二 ESP30將確定該第二 ESP30的測(cè)量電壓是否小于第一 ESP30的測(cè)量電壓。如果是的話，第二 ESP30將總測(cè)量值以及與第二 ESP30關(guān)聯(lián)的電池14組的測(cè)量電壓值傳輸給電池堆12中的第三ESP20，所述總測(cè)量值包括與第二 ESP30關(guān)聯(lián)的燃料電池14組的測(cè)量值，所述測(cè)量電壓值是迄今為止所記載的堆12中的最小電壓值。每個(gè)ESP30相對(duì)于第二 ESP30 重復(fù)上述過(guò)程，直到獲知燃料電池14組的所有電壓值，并且識(shí)別出具有最小電壓的燃料電池14組。在電池堆12中的最底部ESP30執(zhí)行所述命令后，它向從屬聚合器84發(fā)出命令(可能有變化的有效載荷)。該從屬聚合器84接收該命令，并通過(guò)線路86上的電連接向主聚合器82發(fā)出成功的消息。當(dāng)上述非限制性實(shí)施例使用位于堆12頂部上的主聚合器82以及位于堆12底部的從屬聚合器84時(shí)，主聚合器82和從屬聚合器84的位置在堆12的任一個(gè)端部可以互換地定位。按照?qǐng)D4所述的包括主聚合器82和從屬聚合器84的非限制性實(shí)施例，可以克服會(huì)中斷命令發(fā)出、命令確認(rèn)和命令執(zhí)行的循環(huán)的發(fā)生故障或不工作的ESP30。例如，如果 ESP30發(fā)生故障或不工作，如果可行的話，該ESP30將不會(huì)確認(rèn)命令已經(jīng)由主聚合器82或與發(fā)生故障的ESP30相鄰的ESP30發(fā)出。如果這種情形發(fā)生，且命令發(fā)出者是堆12中的 ESP30，那么向發(fā)生故障的ESP30發(fā)出命令的ESP30會(huì)通過(guò)向原先從其處接收命令的ESP30 發(fā)出命令(或用來(lái)表示故障的修改過(guò)的命令)而使通信方向倒轉(zhuǎn)。ESP30的通信方向的倒轉(zhuǎn)使命令或修改過(guò)的命令轉(zhuǎn)發(fā)回發(fā)起命令的聚合裝置40， 從而允許探測(cè)出故障。在主聚合器82發(fā)起命令并且已探測(cè)出通信故障的情況下，主聚合器82可利用線路86發(fā)出消息，以請(qǐng)求從屬聚合器84向鄰近在堆12的相對(duì)端的從屬聚合器84的ESP30 發(fā)出命令，從而允許從兩端訪問(wèn)堆12。這樣，系統(tǒng)80可防止由于個(gè)別出現(xiàn)故障的或不工作
11的ESP30而丟失一部分電池堆12的測(cè)量數(shù)據(jù)。在另一個(gè)非限制性實(shí)施例中，可以在堆12中的每個(gè)ESP30的頂面和底面上安裝另外一對(duì)光收發(fā)器34。每個(gè)ESP30還在交替的幾何位置上裝配有孔，使得可以“圍繞”出現(xiàn)故障的或不工作的ESP30來(lái)引導(dǎo)PPM包。這樣，如果出現(xiàn)故障的或不工作的ESP30在堆12中不是直接彼此相鄰的，則可防止由于在堆12中出現(xiàn)兩個(gè)故障的或不工作的ESP30而丟失一部分堆12中的測(cè)量數(shù)據(jù)。在另一個(gè)非限制性實(shí)施例中，位于每個(gè)ESP30上的光收發(fā)器34的光發(fā)射器36和光接收器38可以分別有不同的譜發(fā)射和響應(yīng)，并且可以用于“上行束縛(upward-bound)，， 和“下行束縛(downward-bound)” PPM包。這樣，可以最小化或者消除堆12中位于彼此物理上緊密相鄰的ESP30上的光收發(fā)器34之間的串?dāng)_。以上討論僅僅公開(kāi)并描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。從上述討論以及從附圖和權(quán)利要求中，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)容易地認(rèn)識(shí)到，在不脫離下述權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變化，修改和變形。
權(quán)利要求
1.一種用于傳輸來(lái)自燃料電池堆中的燃料電池的測(cè)量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 多個(gè)燃料電池，每一個(gè)燃料電池都產(chǎn)生電勢(shì)；多個(gè)堆疊板，包括在每個(gè)燃料電池之間且在燃料電池堆的每個(gè)端部上的一個(gè)堆疊板以收集由每個(gè)燃料電池產(chǎn)生的電勢(shì)；多個(gè)嵌入智能板，每個(gè)嵌入智能板均被機(jī)械地且電連接至燃料電池堆中的多個(gè)堆疊板中的至少一個(gè)，每個(gè)嵌入智能板均包括在嵌入智能板的頂側(cè)和底側(cè)上的光收發(fā)器，每個(gè)嵌入智能板經(jīng)由來(lái)自鄰近堆疊板的燃料電池的電勢(shì)而接收來(lái)自燃料電池堆的工作功率，而嵌入智能板被連接至該堆疊板；以及位于燃料電池堆中的多個(gè)嵌入智能板的一端的第一聚合裝置和位于堆中的多個(gè)嵌入智能板的另一端的第二聚合裝置，所述第一和第二聚合裝置包括至少一個(gè)用于與嵌入智能板進(jìn)行通信的光收發(fā)器，其中第一聚合裝置啟動(dòng)與嵌入智能板的通信以使得嵌入智能板通過(guò)堆連續(xù)地通信，直到第二聚合裝置在接收來(lái)自堆中的最后一個(gè)嵌入智能板的通信后結(jié)束ififn。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括在第一和第二聚合裝置之間的電連接，以使得在第一和第二聚合裝置之間能夠直接進(jìn)行通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中第一聚合裝置利用第一和第二聚合裝置之間的電連接以啟動(dòng)自第二聚合裝置至嵌入智能板的通信，從而防止由于單個(gè)嵌入智能板的失效或不起作用而導(dǎo)致來(lái)自一部分堆的測(cè)量數(shù)據(jù)的丟失。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中在嵌入智能板的每一個(gè)上和在第一和第二聚合裝置上的光收發(fā)器的每一個(gè)均包括光發(fā)射器和光接收器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中在嵌入智能板的每一個(gè)上和在第一和第二聚合裝置上的光收發(fā)器與在相鄰嵌入智能板和/或聚合裝置上的光接收器對(duì)準(zhǔn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中位置和諸如電池電壓、高頻電阻和/或溫度的測(cè)量值通過(guò)嵌入智能板經(jīng)由光收發(fā)器被傳輸至第一或第二聚合裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中每個(gè)嵌入智能板包括具有低輸入電壓DC-DC轉(zhuǎn)換器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、微處理器和參考電壓的嵌入智能板印刷電路板。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中第一和第二聚合裝置包括微處理器并且被電連接至電池。
9.一種用于傳輸來(lái)自燃料電池堆中的燃料電池的測(cè)量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 多個(gè)燃料電池；多個(gè)堆疊板，其包括在每個(gè)燃料電池之間且在所述堆的每個(gè)端部上的一個(gè)堆疊板； 多個(gè)嵌入智能板，每個(gè)嵌入智能板均被機(jī)械地且電連接至燃料電池堆中的多個(gè)堆疊板中的至少一個(gè)，每個(gè)嵌入智能板均包括在嵌入智能板的頂側(cè)和底側(cè)上的光收發(fā)器；以及第一和第二聚合裝置，所述第一和第二聚合裝置包括至少一個(gè)用于與鄰近第一或第二聚合裝置的嵌入智能板進(jìn)行通信的光收發(fā)器，其中一個(gè)聚合裝置啟動(dòng)與嵌入智能板的通信，而另一個(gè)聚合裝置結(jié)束通信。
10.一種用于傳輸來(lái)自燃料電池堆中的燃料電池的測(cè)量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 多個(gè)燃料電池；多個(gè)堆疊板，包括在每個(gè)燃料電池之間且在所述堆的每個(gè)端部上的一個(gè)堆疊板；多個(gè)嵌入智能板，每個(gè)嵌入智能板均被機(jī)械地且電連接至多個(gè)堆疊板中的至少一個(gè)， 每個(gè)嵌入智能板均包括嵌入智能板印刷電路板和在每個(gè)智能板的頂側(cè)和底側(cè)上的光收發(fā)器；位于堆中的多個(gè)嵌入智能板的一個(gè)端部的第一聚合裝置和位于堆中的多個(gè)嵌入智能板的另一端部的第二聚合裝置，嵌入智能板以及第一和第二聚合裝置以柱形的布置方式布置，并且第一和第二聚合裝置包括至少一個(gè)用于與鄰近第一或第二聚合裝置的嵌入智能板進(jìn)行通信的光收發(fā)器；以及構(gòu)造成控制第一聚合裝置的控制器，其中控制器請(qǐng)求第一聚合裝置與相鄰的嵌入智能板進(jìn)行通信以使得嵌入智能板通過(guò)所述堆連續(xù)地通信，直到第二聚合裝置在接收來(lái)自所述堆中的最后一個(gè)嵌入智能板的通信后結(jié)束通信。
全文摘要
本發(fā)明涉及用板嵌入測(cè)量單元測(cè)量和傳輸燃料電池堆電池電壓的方法，提供一種用于傳輸來(lái)自燃料電池堆中的每一個(gè)燃料電池或電池組的測(cè)量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，包括多個(gè)燃料電池、多個(gè)堆疊板以及多個(gè)嵌入智能板。堆疊板介于每個(gè)燃料電池之間且在堆的每個(gè)端部上，多個(gè)嵌入智能板被機(jī)械地且電連接至多個(gè)堆疊板中的至少一個(gè)，且每個(gè)智能板包括在頂側(cè)和底側(cè)上的光收發(fā)器。系統(tǒng)進(jìn)一步包括第一和第二聚合裝置，所述第一和第二聚合裝置包括至少一個(gè)用于與鄰近于第一或第二聚合裝置的嵌入智能板進(jìn)行通信的光收發(fā)器，其中一個(gè)聚合裝置啟動(dòng)與嵌入智能板的通信而另一個(gè)聚合裝置結(jié)束通信。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102208666SQ20111009854
公開(kāi)日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2011年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月8日
發(fā)明者D·D·里, K·L·凱, M·F·扎維薩 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司