專利名稱：燃料電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量單個電池電壓的一種電壓監(jiān)視系統(tǒng)和一種方法。本發(fā)明特別應用于但不專用于其中燃料電池串聯(lián)疊放的燃料電池組。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種電化學設(shè)備，通過將燃料(典型是氫)和一種氧化劑(典型是空氣)與兩個合適的電極和一種電解液接觸來產(chǎn)生電動勢。燃料，例如氫氣，在第一電極處引入，在這里它在存在電解液的情況下進行電化學反應，在第一電極中產(chǎn)生電子和陽離子。電子通過連接在兩個電極之間的電路從第一電極傳遞到第二電極。陽離子穿過電解液到達第二電極。同時，氧化劑，例如氧氣或空氣，引入到第二電極，在這里氧化劑在存在電解液和催化劑的情況下進行電化學反應，產(chǎn)生陰離子并消耗從電路傳遞來的電子。陽離子在第二電極處被消耗。在第二電極或陰極形成的陰離子與陽離子反應，形成一種反應產(chǎn)物。第一電極或陽極可以另稱作燃料或氧化電極，而第二電極可以另稱作氧化劑或還原電極。第一和第二電極處的半電池反應分別是(1)(2)外部電路從燃料電池取回電流，從而接受電能?？?cè)剂想姵胤磻a(chǎn)生的電量顯現(xiàn)為化學方程式1和2中顯示的各個半電池反應的和。水和熱是典型的反應副產(chǎn)品。
實際上，燃料電池不是作為單個單元工作的。更合適的，燃料電池串行連接，一個堆在另一個上方或并排排列。串聯(lián)的燃料電池稱作燃料電池組，一般裝在一個外殼中。燃料和氧化劑通過外殼中的集流腔傳送給電極。燃料電池通過反應物或冷卻介質(zhì)來冷卻。燃料電池組還包括集電器、電池與電池的密封和絕緣，而所需的導管和儀器從外部提供給燃料電池組。燃料電池組、外殼及相關(guān)的硬件構(gòu)成了一個燃料電池模塊。
為了確保燃料電池組的正確運行，必須要測量各種參數(shù)。這些參數(shù)之一是燃料電池組中各個燃料電池兩端的電壓，下文中稱作電池電壓。因此，需要在燃料電池組中每個燃料電池的兩端(也就是陽極和陰極)測量差動電壓。但是，因為燃料電池是串聯(lián)的，而且典型是大數(shù)量的，所以在某些接線端的電壓對于當前可用的半導體測量設(shè)備來說太高而不能直接測量。例如，對于由100個每個電池電壓為0.95V的電池構(gòu)成的燃料電池組，上方電池負端(陰極)的實際電壓將會是94.05V(即0.95*100-0.95)。照此，電壓超過一般用于測量電壓的電流差動放大器的最大容許輸入電壓。
為了克服這個問題已經(jīng)進行了各種努力。Becker-Irvin(美國專利號5,914,606)提出了一種監(jiān)視高電池電壓的方法，他提出借助分壓器來測量電池電壓。分壓器連接到一組電池上的測量點。分壓器在各個測量點降低了電壓，使得各個電壓低到足以成為傳統(tǒng)差動放大器的輸入。當分壓器“精密匹配”時，差動放大器的輸出與連接分壓器的一對點之間的差動電壓成正比。所以可以測定那兩個點之間的差動電壓。通過選擇各個分壓器的“比值”，可以使用該系統(tǒng)來測量具有不同共態(tài)(common-mode)電壓的差動電壓。
但是，當使用這種系統(tǒng)監(jiān)視電池電壓時存在兩個問題。首先，因為電池是串聯(lián)的，所以為了提供可以由同一個測量接近串聯(lián)底部的電池的電池電壓的電壓測量電路讀取的電壓，必須使用比率非常高的分壓器向下劃分(即降低)接近串聯(lián)上方的電池的電壓(即與參考電壓相差最大)。因此，為了將在電池每一個接線端上測量的電壓降低相同的數(shù)量，監(jiān)視高電壓要求高比率分壓器中的電阻器精度非常高。其次，分壓器中電阻器的任何電阻偏差都會導致分壓器Thevenin方程式電阻不匹配，這將影響差動放大器正常測量電池電壓的能力。因此，必須非常小心地精確匹配分壓器中使用的電阻器的電阻。這導致電壓測量系統(tǒng)成本增加，效率降低。
Flohr等人(美國專利號5,712,568)提出了另一種監(jiān)視高電壓的系統(tǒng)。Flohr提出使用一種光分離技術(shù)來分離電壓測量過程。不幸的是，這種方法代價高且難于實現(xiàn)。James(美國專利號6,140,820)也提出了一種使用分離方法的電壓監(jiān)視系統(tǒng)，包括一個多路器和差動輸入。但是，這種電壓監(jiān)視系統(tǒng)也具有阻抗不匹配和準確度降低的缺點。
可以看到，上述方法沒有提供一種簡單且有成本效益的監(jiān)視電池電壓的系統(tǒng)。這是不幸的，因為在燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，隨著燃料電池組變得更大，更為復雜，對簡單而且精確的電池電壓測量系統(tǒng)的需求也增加了。例如，當前的技術(shù)難于以適度的成本達到對任何超過40個燃料電池的燃料電池組的精確電池電壓測量。
發(fā)明概述為了克服與當前測量電池電壓方法相關(guān)的問題，本發(fā)明提出了一種監(jiān)視燃料電池組中各個燃料電池電壓的新型電路和方法。燃料電池電壓監(jiān)視電路有成本效益且易于操作。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種系統(tǒng)來監(jiān)視一個多個電池串聯(lián)的電化學設(shè)備的至少一個電池電壓，其中系統(tǒng)包括多個差動放大器，每個差動放大器有兩個輸入和一個輸出，其中輸入在使用中與多個電池連接；一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，有多個輸入和一個輸出，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的輸入連接到差動放大器的輸出；一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，有一個輸入連接到開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的輸出，適于提供由多個差動放大器測量的電壓的數(shù)字值表示；一個控制器，連接到開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的操作，其中控制器還適合于接收從模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字值。
每個差動放大器優(yōu)選有一個高共態(tài)抑制比。更優(yōu)選是每個差動放大器能夠抑制200V的共態(tài)電壓。
系統(tǒng)還可以包括一個計算裝置，連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器和控制器之一的輸出，根據(jù)數(shù)字值計算至少一個電池電壓。此外，控制器可以包括一個計算裝置。微處理器可以用作控制器。系統(tǒng)還可以包括一臺連接到微處理器的計算機。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，系統(tǒng)還包括至少一個校準器來校準每個差動放大器。至少一個校準器適合提供一個恒定電壓增量，來仿真多個串聯(lián)的電池中每個電池接線端的電池電壓和共態(tài)電壓，校準每個差動放大器。恒定電壓增量可以在0.5V到1V的范圍內(nèi)選擇。更優(yōu)選的是，恒定電壓增量可以是0.75V。系統(tǒng)還可以包括至少一個電壓表來測量每個差動放大器輸入和輸出處的電壓。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種監(jiān)視多個串聯(lián)并有輸出端的電化學電池的電池電壓的方法，方法包括步驟
(a)將多個串聯(lián)的電池兩接線端的電壓連接到一個具有兩個輸入和一個輸出的差動放大器的輸入；(b)在差動放大器中從兩接線端電壓中抑制共態(tài)電壓，給出兩接線端之間的電壓差；以及(c)將電壓差從模擬值轉(zhuǎn)換到數(shù)字值。
該方法更特別包括(1)在步驟(a)中，通過將每對接線端的電壓連接到各自的一個差動放大器來測量多對接線端兩端的電壓；每對差動放大器具有兩個輸入和一個輸出；(2)在步驟(b)中，在各個差動放大器中抑制共態(tài)電壓，給出一個電壓差；以及(3)將各個電壓差從模擬值轉(zhuǎn)換到數(shù)字值。
該方法還包括通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)將差動放大器的輸出連接到一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)將差動放大器之一的輸出轉(zhuǎn)換到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，進行這一個差動放大器輸出處的電壓差的模數(shù)轉(zhuǎn)換。該方法還包括提供一個控制器來控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該方法還包括提供的控制器是一個微處理器。
該方法還包括步驟(d)提供已知電壓到差動放大器的輸入，測量其電壓及輸出，從而校準差動放大器。該方法還包括從一個校準器提供電壓并用一個電壓表測量電壓。
該方法還包括根據(jù)下列步驟對每個差動放大器實施步驟(d)(e)在差動放大器的輸入兩端施加電壓VA并測量VA；(f)當VA差動施加到差動放大器的輸入時，測量模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出(VADC(VA)))；(g)當差動放大器的輸入接地時測量模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出(VADC(V0))；(h)當輸入接地時測量差動放大器輸出處的DC偏移電壓(VOFF)。
該方法還包括通過使用數(shù)字值和VA、VADC(VA)、VADC(V0)和(VOFF)來實施步驟(d)。
該方法還包括使用公式根據(jù)測量電壓(VADC)來計算電池電壓(VR)VR=VA·VADC[VADC(VA)-VADC(V0)]-VOFF]]>
該方法還包括提供差動放大器，每個差動放大器有一個高共態(tài)抑制比。更優(yōu)選的是，每個差動放大器可以抑制一個200V的共態(tài)電壓。
該方法還包括為每個校準器提供一個恒定電壓增量，來仿真正常工作條件下，多個串聯(lián)電池中一個電池接線端所期望的電池電壓和共態(tài)電壓。恒定電壓增量可以在0.5V到1V的范圍內(nèi)選擇。恒定電壓增量更優(yōu)選是0.75V。
該方法還包括順序監(jiān)視多個電池中各個電池的電池電壓。另一種方式是可以在任意時刻測量多個電池中任一個電池的電池電壓。該方法還包括將測量方法應用于燃料電池電壓。
本發(fā)明的其它目標和優(yōu)點將通過下面結(jié)合附圖進行的描述變得清楚。
附圖詳述為了更好的理解本發(fā)明并更為清楚的顯示可以如何實現(xiàn)它，現(xiàn)在通過舉例的方式參照附圖，附圖顯示了本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，其中

圖1是一個現(xiàn)有技術(shù)的電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的燃料電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)的一個實施方案的示意圖；圖3a是使用圖2燃料電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)對一個燃料電池組進行電池電壓測量的例子的局部視圖；以及圖3b是圖2燃料電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)所需要的校準的局部視圖。
優(yōu)選實施方案詳述首先參看圖1，顯示了Becker-Irvin(美國專利號5,914,606)提出的系統(tǒng)。測量點114和116連接到分壓器111的輸入。其它測量點也連接到其它分壓器的各個輸入。所有分壓器輸出都連接到一個有輸出129和130的多路器120。這些輸出連接到一個差動放大器A7。通過適當?shù)拈]合開關(guān)，例如124和127，兩個分壓器輸出連接到多路器120。當分壓器“完全匹配”時，差動放大器A7的輸出會與分壓器連接的一對點之間的差動電壓成正比。但是，如前面討論的，必須在分壓器中使用精度非常高的電阻器。此外，這些電阻器的任何電阻偏差都會導致不正確的電池電壓測量。
現(xiàn)在參看圖2，根據(jù)本發(fā)明，燃料電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)的示意圖以10表示。燃料電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)10包括多個連接到燃料電池組13的差動放大器12。為了簡單，只顯示了兩個差動放大器14和16以及兩個燃料電池18和20。燃料電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)10還包括一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)22、一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)24、一個控制器26和一個PC28。多個差動放大器12的輸入連接到燃料電池組13中燃料電池的接線端，多個差動放大器12的輸出連接到開關(guān)網(wǎng)絡(luò)22。開關(guān)網(wǎng)絡(luò)22還連接到ADC24。ADC24連接到控制器26，控制器26又通過RS232電纜30或任何其它商用PC通訊連接線連接到PC28。
為了實施電池電壓測量，使用了多個差動放大器12，其中每個差動放大器有一個高共態(tài)抑制比。每個差動放大器還優(yōu)選是高線性的。每個放大器可以有一個基本一致的增益。每個放大器還應該能夠在每個輸入處抑制盡可能高的電壓。但是，如技術(shù)中共知的，電源電壓限制了輸入差。因此，輸入差被限制在+/-15V范圍內(nèi)。
在圖2中，多個差動放大器12中的每一個差動放大器連接到燃料電池組13中要測量電池電壓的各個燃料電池的接線端。例如，在圖2中，差動放大器14連接在燃料電池18的兩端。詳細來講，差動放大器14的兩個輸入34和36連接到燃料電池18的陽極38和陰極40。另一種做法是，在實際中，從多個差動放大器12中選出的差動放大器的輸入不必一定連接到一個燃料電池的兩個接線端。更合適的，差動放大器的輸入可以按希望連接到燃料電池組13上任何兩個接線端。例如，對于差動放大器14，輸入34可以連接到燃料電池18的接線端38，而輸入36可以連接到燃料電池20的接線端40。在該描述中，為了簡單，假定每個差動放大器連接到惟一一個燃料電池的接線端。
在燃料電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)10中，多個差動放大器12中每一個差動放大器的輸出接著連接到開關(guān)網(wǎng)絡(luò)22的輸入。因此，在圖2中，差動放大器14的輸出50和差動放大器16的輸出52連接到開關(guān)網(wǎng)絡(luò)22的輸入(為了簡單只顯示了兩個輸入)。開關(guān)網(wǎng)絡(luò)22可以優(yōu)選是一個多路器或類似設(shè)備。開關(guān)網(wǎng)絡(luò)22在任一時刻只允許接受在燃料電池組13兩個點上測量的差動電壓。這種配置是為了減少燃料電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)10中組件數(shù)量所需要的。電池電壓還可以高速測量，因此一個時刻只測量一個電池電壓是可以接受的。然后將在燃料電池組13兩個接線端測量的差動電壓從開關(guān)網(wǎng)絡(luò)22送給ADC24。
ADC24將測量的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。實際上，ADC24可以是一個16位ADC。此外可以使用具有更多位的ADC來獲得更精確的數(shù)字值。在模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，數(shù)字值送給控制器26。
控制器26控制燃料電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)10的功能。詳細來講，控制器26通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)控制信號47控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)22的操作，通過ADC控制信號49控制ADC24的操作?？刂破?6控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)22選擇性的接收在燃料電池組13中一表明燃料電池兩端測量的電池電壓的數(shù)字值。優(yōu)選是控制器26命令開關(guān)網(wǎng)絡(luò)22順序訪問在燃料電池組13中每個燃料電池兩端測量的電壓并從ADC24中讀取相應的數(shù)字值。另一種做法是，通過適當編程控制器26，可以在任意時刻訪問任一個燃料電池兩端的測量電壓?？刂破鲀?yōu)選是一個微處理器，但也可以是另一種控制設(shè)備，例如PLC或類似的。
微處理器26還可以包含一個計算裝置，將從ADC24讀取的數(shù)字值轉(zhuǎn)換成一個測量的電池電壓(下面進一步解釋)。優(yōu)選是控制器26還通過RS232電纜30連接到PC28，PC28可以用于提供增強的數(shù)據(jù)處理來監(jiān)視燃料電池性能。電池電壓使用戶能夠評價單個燃料電池的全部狀態(tài)。電池電壓可以用于確定電池中是否有水積聚，或者氣體是否是混合的，等等。多久測量一次電池電壓也是重要的。電池電壓測量必須快到足夠報告電池的短暫、瞬時狀態(tài)。優(yōu)選是每隔10ms對每個電池執(zhí)行一次測量，這已被證明是足夠了。注意PC28可以在遠處的位置上。
在燃料電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)10中使用的多個差動放大器12可以從所有具有高共態(tài)抑制比的商用差動放大器中選擇。例子包括Burr-Brown INA 117差動放大器或Analog Devices AD629差動放大器。這些差動放大器可以以高達200V的共態(tài)電壓運行，因此能夠直接連接到燃料電池組14中一個燃料電池的陽極和陰極，如圖2中所示。
實際上，為了獲得精確的電壓測量，燃料電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)10需要校準。如那些技術(shù)熟練人員已知的，當燃料電池組13中單個燃料電池的數(shù)量增加時，單個燃料電池兩個接線端的電壓增加。單個燃料電池與燃料電池組13的參考電壓越遠，增加的就越多。因此，連接到單個燃料電池的差動放大器輸入的共態(tài)電壓也會增加(共態(tài)電壓只是輸入的平均值)。輸入到差動放大器的共態(tài)電壓在差動放大器輸出得到一個破壞差動放大器電壓測量的電壓。這個共態(tài)電壓誤差等于差動放大器共態(tài)電壓增益與輸入共態(tài)電壓的乘積。因此，共態(tài)電壓誤差與差動放大器輸入的共態(tài)電壓成正比。因此，差動放大器優(yōu)選具有一個高共態(tài)抑制比(CMRR)，這是在輸入電壓連接在一起時輸入電壓除以輸出電壓的比值。CMRR通常表示為dB(即CMRR(dB)＝20log(輸入電壓/輸出電壓))。典型的，CMRR的值大約在70到110dB的范圍內(nèi)。按定義，具有高共態(tài)抑制比的放大器具有小的共態(tài)電壓增益。
此外，由于差動放大器中不可避免的內(nèi)部不匹配，在差動放大器的輸出存在一個額外電壓。這個輸出電壓稱作差動放大器的DC偏移。當差動放大器的輸入接地時，在差動放大器的輸出看到該DC偏移是一個有限電壓。
此外，在測量過程中會存在另一個電壓誤差，這是由ADC24的量化噪聲引起的。但是，如技術(shù)中眾所周知的，通過增加ADC24中量化位數(shù)，可以將量化噪聲降低到可接受的水平。
由于共態(tài)電壓誤差、DC偏移和多少有一點的量化噪聲，差動放大器的輸出會偏離燃料電池的實際電池電壓。這種偏離稱作剩余電壓，是不能消除的，伴隨普通差動放大器裝置的測量誤差。如前面討論的，剩余電壓與差動放大器輸入的共態(tài)電壓成正比。因為隨著單個燃料電池的總數(shù)量增加，差動放大器輸入的共態(tài)電壓也增加，所以這是不希望有的。因此，對于那些在燃料電池組13上方的燃料電池，所測量的電池電壓中的偏差會達到足以影響電池電壓測量的精確度。
如果根據(jù)一個使用從每個燃料電池的電壓測量得到的數(shù)字值的線性方程式來計算燃料電池的測量電池電壓，可以克服上面的問題。為了進行計算，需要至少一個電壓表和一個校準器(都沒有顯示)在校準過程中讀取電壓值。電壓表優(yōu)選是高精度電壓表。
使用下列方程式可以計算由給定差動放大器測量的各個燃料電池的電池電壓VR=VA·VADC[VADC(VA)-VADC(V0)]-VOFF---(3)]]>其中VR是校準之后的測量電池電壓VADC是電池電壓測量期間ADC24的輸出值
VA是校準期間加到差動放大器輸入的差動電壓VADC(VA)是校準期間當將VA加到差動放大器輸入時ADC24的輸出值VADC(V0)是校準期間當將差動放大器輸入接地時ADC24的輸出值VOFF是校準期間當將差動放大器輸入接地時差動放大器的電壓輸出方程式(3)消除了測量誤差，得到要測量的燃料電池的測量電池電壓。電壓VOFF表示DC偏移和共態(tài)電壓誤差。因為根據(jù)疊加原理，測量電壓是電池電壓加上這些誤差的和，所以從測量值中消除了這些誤差。其次，使用因子VADC/[VADC(VA)-VADC(V0)]來將ADC24的輸出相關(guān)到一個為伏特的有意義值。
這個計算可以由控制器26來執(zhí)行。另外可以使用另一種處理設(shè)備。然后可以由PC28讀取校準后的數(shù)據(jù)進行記錄和分析。通過控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)22順序訪問多個差動放大器12中的各個差動放大器，能夠獲得燃料電池組13中各個燃料電池的電池電壓。
圖3a說明了如果沒有使用校準，當測量燃料電池組13中一個燃料電池的電池電壓時出現(xiàn)的測量誤差。假設(shè)燃料電池組13中有102個燃料電池，每個燃料電池工作在0.75V(即電池電壓是0.75V)，則如圖3a中顯示的第102個燃料電池的實際共態(tài)電壓是75.75V(即0.75*101)。如果連接到第102個燃料電池的差動放大器66的輸出存在+50mV的剩余電壓，則差動放大器66的輸出將會是0.8V(即0.75+0.05)，而不是0.75V，而且它具有一致的增益。典型的希望電壓能夠在高達5伏特的范圍內(nèi)變化。
現(xiàn)在參看圖3b，通過用校準器70校準差動放大器66能夠消除測量誤差，校準器70提供對于第102個燃料電池所期望的精確共態(tài)電壓和電池電壓，在本例中分別是75.75V和0.75V。當使用校準器校準差動放大器66時，將會得到差動放大器的共態(tài)電壓誤差和DC偏移。但是，在測量期間，差動放大器66的輸出與執(zhí)行校準之前是一樣的(即本例中的0.80V)。因此，必須使用方程式3來獲得實際電池電壓并有效降低了剩余誤差。
雖然知道燃料電池的實際電池電壓是困難的，但是單個燃料電池在正常工作期間工作在大約0.5V到1V之間是已知的。通過使用提供接近于這些電池電壓的電壓電平的校準器，可以在使用多個差動放大器12測量燃料電池組13中燃料電池的電池電壓之前校準它們。因此，可以得到每個差動放大器的共態(tài)電壓誤差和DC偏移。所以通過校準各個差動放大器，大大增加了燃料電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)10的精確度。
因為單個燃料電池工作在0.5V到1V的范圍內(nèi)，所以可以假設(shè)每個燃料電池具有0.75V的電池電壓。這是一個燃料電池正常使用期間工作的平均電壓。因此，在校準期間，使用0.75V的增量，這意味著校準器提供電壓，相當于燃料電池1的上接線端為0.75V，燃料電池2的上接線端為1.5V，燃料電池3的上接線端為2.25V，燃料電池101的上接線端為76.5V，如圖3b中所示。發(fā)明者發(fā)現(xiàn)通過實際中使用這種方法，將每個差動放大器校準到一個接近于每個燃料電池的電池接線端在每個燃料電池工作在理想狀態(tài)時的實際共態(tài)電壓。結(jié)果，測量電池電壓接近于每個燃料電池的實際電池電壓。
雖然校準方法沒有完全消除剩余誤差，但它大大降低了剩余誤差，并且及其顯著的降低了共態(tài)電壓誤差。此外，在校準之后，在給定差動放大器的電壓測量期間出現(xiàn)的共態(tài)電壓不再與差動放大器輸入處的共態(tài)電壓成正比。共態(tài)電壓誤差現(xiàn)在與輸入處的實際共態(tài)電壓和校準期間用于每個燃料電池的假定共態(tài)電壓的差成正比。這個差值是隨機的，不會隨著燃料電池組13中的燃料電池數(shù)量增加而增加。因此，在電池電壓測量期間共態(tài)電壓誤差保持在一個非常低的水平上。這在測量大燃料電池組中燃料電池的電池電壓時特別有用。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)10使用便宜且不需要任何硬件調(diào)整的商用組件。本發(fā)明還提供便于使用而且是非常精確的測量系統(tǒng)。此外，與現(xiàn)有電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)相比，本發(fā)明組件更少，大大降低了系統(tǒng)的總尺寸。因此，可以容易地將燃料電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)10結(jié)合到任何燃料電池測試設(shè)備中。
應該認識到，本發(fā)明不只是計劃用于監(jiān)視燃料電池組中單個燃料電池的電壓，還用于監(jiān)視通過單個電池串聯(lián)而形成的任何類型的多電池電池組中的電壓。本發(fā)明還可以用于監(jiān)視單個電池、電池組、電池堆或電解池的電壓。
還應該認識到，那些技術(shù)熟練的人可以在不背離本發(fā)明的情況下對這里描述和說明的優(yōu)選實施方案進行各種修改，在附加的權(quán)利要求中定義了本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種監(jiān)視由多個電池串聯(lián)的電化學設(shè)備中至少一個電池電壓的系統(tǒng)，系統(tǒng)包括多個差動放大器，每個差動放大器有兩個輸入和一個輸出，其中輸入分別在使用中與多個電池連接；一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，有多個輸入和一個輸出，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的輸入連接到差動放大器的輸出；一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，有一個輸入連接到開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的輸出，適于提供由多個差動放大器測量的電壓的數(shù)字值表示；以及一個控制器，連接到開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的操作，其中控制器還適合從模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出接收數(shù)字值。
2.一種如權(quán)利要求1中要求的系統(tǒng)，其中系統(tǒng)還包括一個計算裝置，連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器和控制器之一的輸出，根據(jù)數(shù)字值計算至少一個電池電壓。
3.一種如權(quán)利要求1中要求的系統(tǒng)，其中每個差動放大器有一個高共態(tài)抑制比。
4.一種如權(quán)利要求3中要求的系統(tǒng)，其中每個差動放大器適于抑制200V的共態(tài)電壓。
5.一種如權(quán)利要求1中要求的系統(tǒng)，其中控制器包括一個計算裝置。
6.一種如權(quán)利要求1中要求的系統(tǒng)，其中控制器包括一個微處理器。
7.一種如權(quán)利要求1或2中要求的系統(tǒng)，其中系統(tǒng)還包括一臺計算機和連接到該計算機的控制器。
8.一種如權(quán)利要求1或2中要求的系統(tǒng)，其中系統(tǒng)還包括至少一個可以連接到每個差動放大器的校準器來校準每個差動放大器。
9.一種如權(quán)利要求8中要求的系統(tǒng)，其中至少一個校準器適合提供一個恒定電壓增量，來仿真多個串聯(lián)的電池中每個電池接線端的電池電壓和共態(tài)電壓，校準每個差動放大器。
10.一種如權(quán)利要求9中要求的系統(tǒng)，其中恒定電壓增量在0.5V到1V的范圍內(nèi)選擇。
11.一種如權(quán)利要求10中要求的系統(tǒng)，其中恒定電壓增量是0.75V。
12.一種如權(quán)利要求8中要求的系統(tǒng)，其中系統(tǒng)為了校準，還包括至少一個電壓表來測量每個差動放大器輸入和輸出處的電壓。
13.一種監(jiān)視多個串聯(lián)并有輸出端的電化學電池的電池電壓的方法，方法包括步驟(a)將多個串聯(lián)電池兩個接線端的電壓連接到一個具有兩個輸入和一個輸出的差動放大器的輸入；(b)在差動放大器中從兩個接線端的電壓中抑制共態(tài)電壓，給出兩個接線端之間的電壓差；以及(c)將電壓差從模擬值轉(zhuǎn)換到數(shù)字值。
14.一種如權(quán)利要求13中要求的方法，包括(1)在步驟(a)中，通過將每對接線端的電壓連接到各自的一個差動放大器來測量多對接線端兩端的電壓，每個差動放大器有兩個輸入和一個輸出；(2)在步驟(b)中，在各個差動放大器中抑制共態(tài)電壓，給出一個電壓差；以及(3)將各個電壓差從模擬值轉(zhuǎn)換到數(shù)字值。
15.一種如權(quán)利要求14中要求的方法，包括通過一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)將差動放大器的輸出連接到一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)將差動放大器之一的輸出轉(zhuǎn)換到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對這個差動放大器輸出處的電壓差進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
16.一種如權(quán)利要求15中要求的方法，包括提供一個控制器來控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
17.一種如權(quán)利要求16中要求的方法，包括提供的控制器是一個微處理器。
18.一種如權(quán)利要求14中要求的方法，其中該方法還包括步驟(d)提供已知電壓到差動放大器的輸入，測量其電壓和輸出，從而校準差動放大器。
19.一種如權(quán)利要求18中要求的方法，其中該方法包括從一個校準器提供電壓并用一個電壓表測量電壓。
20.一種如權(quán)利要求18中要求的方法，其中該方法包括根據(jù)下列步驟對每個差動放大器實施步驟(d)(e)在差動放大器的輸入兩端施加電壓VA并測量VA；(f)當VA差動施加到差動放大器的輸入時，測量模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出(VADC(VA)))；(g)當差動放大器的輸入接地時測量模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出(VADC(V0))；以及(h)當輸入接地時測量差動放大器輸出處的DC偏移電壓(VOFF)。
21.一種如權(quán)利要求20中要求的方法，其中使用數(shù)字值和VA、VADC(VA)、VADC(V0)和VOFF來實施步驟(d)。
22.一種如權(quán)利要求20或21中要求的方法，包括使用公式根據(jù)測量電壓(VADC)來計算電池電壓(VR)VR=VA·VADC[VADC(VA)-VADC(V0)]-VOFF]]>
23.一種如權(quán)利要求13中要求的方法，其中包括為每個差動放大器提供一個高共態(tài)抑制比。
24.一種如權(quán)利要求13中要求的方法，包括提供能夠符合200V共態(tài)電壓的差動放大器。
25.一種如權(quán)利要求22中要求的方法，包括為每個校準器提供一個恒定電壓增量，來仿真正常工作條件下，多個串聯(lián)電池中一個電池接線端處所期望的電池電壓和共態(tài)電壓。
26.一種如權(quán)利要求25中要求的方法，包括在0.5V到1V的范圍內(nèi)選擇恒定電壓增量
27.一種如權(quán)利要求26中要求的方法，包括選擇0.75V的恒定電壓增量。
28.一種如權(quán)利要求13中要求的方法，包括順序監(jiān)視多個電池中各個電池的電池電壓。
29.一種如權(quán)利要求13中要求的方法，包括在任意時刻監(jiān)視多個電池中任一個電池的電池電壓。
30.一種如權(quán)利要求13中要求的方法，包括將方法應用于測量燃料電池電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種監(jiān)視燃料電池組電壓的系統(tǒng)和方法。系統(tǒng)包括多個差動放大器、一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個控制器。系統(tǒng)還可以包括一個遠程PC。每個差動放大器有一個共態(tài)抑制比。差動放大器連接到燃料電池組中要測量電壓的接線端。按照控制器的指示由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)選擇單個差動放大器的輸出，并由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字值?？刂破骼脭?shù)字值計算燃料電池的電池電壓?？刂破鬟€控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明還包括一種用于在燃料電池組上執(zhí)行電壓測量之前校準測量系統(tǒng)的校準方法和儀器。本發(fā)明使得能夠使用易于利用的差動放大器來測量具有幾乎任何共態(tài)電壓的燃料電池的電池電壓。
文檔編號G01R31/36GK1535384SQ02814901
公開日2004年10月6日 申請日期2002年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月29日
發(fā)明者S·馬西, R·B·戈帕爾, S 馬西, 戈帕爾 申請人:潔能氏公司