用于燃料電池堆的診斷和熱管理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于燃料電池堆的診斷和熱管理系統(tǒng)。本文中提供的用于燃料電池堆的診斷和熱管理系統(tǒng)包括通過測量燃料電池堆的電壓和電流診斷并且分析燃料電池堆的狀態(tài)的診斷控制分析儀。同樣，AC信號發(fā)生器產生診斷AC信號，并且AC分量驅動元件使得AC分量包括在燃料電池堆的電流中。此外，當AC分量驅動元件的溫度等于或大于預定溫度時，熱電元件被驅動作為吸熱裝置；并且當AC分量驅動元件的溫度小于預定溫度時，熱電元件被驅動作為發(fā)熱裝置，從而管理在AC分量驅動元件中產生的熱。
【專利說明】用于燃料電池堆的診斷和熱管理系統(tǒng)
[0001]相關申請的引用
[0002]本申請要求于2012年12月27日向韓國知識產權局提交的韓國專利申請?zhí)?0-2012-0155396的優(yōu)先權和權益，通過引用將其全部內容并入本文中。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明涉及可以診斷燃料電池堆(fuel cell stack)并且有效地管理由診斷過程產生的熱的用于燃料電池堆的診斷和熱管理系統(tǒng)。
【背景技術】
[0004]燃料電池是通過與氧氣或另外的氧化劑的化學反應而將來自燃料的化學能轉化為電的裝置。氫是最常見的燃料，但是有時使用烴類如天然氣和醇類如甲醇。燃料電池與蓄電池的不同之處在于它們需要恒定的燃料和氧氣來源以運轉，但是只要提供這些輸入，它們就可以不斷地產生電。燃料電池可以應用于提供工業(yè)、家庭、以及車輛驅動力以及應用于為小型電氣/電子產品提供動力。
[0005]例如，可以給予車輛動力的方式之一是通過燃料電池系統(tǒng)如聚合物電解質膜燃料電池或質子交換膜燃料電池(PEMFC)。這些類型的燃料電池在較低的操作溫度下具有較高的功率密度、快速起動時間和快速功率轉換反應時間。
[0006]PEMFC通常包括其中發(fā)生電化學反應的催化劑電極層附著至氫離子在其中移動的固態(tài)聚合物電解質膜的兩側的膜電極組件(MEA)。同樣包括在PEMFC中的是均勻分布反應氣體并且通過電池傳遞產生的電能的氣體擴散層(⑶L)。通常，還提供襯墊和嚙合裝置。嚙合裝置保持適當?shù)膰Ш蠅毫头磻獨怏w的氣密性和冷卻劑。同樣，還提供了雙極板以通過電池移動反應氣體和冷卻劑。
[0007]當裝配燃料電池堆時，氣體擴散層和MEA設置在電池中間。因此，MEA的催化劑電極層，即，其上施加了催化劑施加以使氫氣和氧氣可以在聚合物電解質膜的兩個表面反應的陽極(負極)和陰極(正極)，位于MEA的外表面上。然后，氣體擴散層和襯墊分別堆疊在陽極和陰極的頂部上。
[0008]在氣體擴散層的外表面上，供給反應氣體(通常，作為燃料的氫氣和作為氧化劑的氧氣或空氣)，并且將具有冷卻劑通過的流場的雙極板放置在其上。通過在單元電池中形成這種結構，在堆疊多個單元電池之后，將用于支撐集電器(集電體，集流體)的端板、絕緣板、以及堆電池耦合(附接)在疊層的最外表面上。通過在端板之間反復堆疊和嚙合單元電池，可以形成燃料電池堆。
[0009]為了獲得用于待操作的車輛所必需的電勢(電壓，電位)，單元電池應當依照必需的電勢堆疊以便確保通過電池輸出足夠的電勢。
[0010]通過每個單位電池產生的電勢通常為約1.3V。因此，為了產生驅動車輛所必需的動力，大量的電池必須串聯(lián)堆疊。因此，確定在故障過程中哪個電池不適當?shù)毓ぷ骺梢允呛臅r并且有時是困難的。因此，燃料電池車輛需要診斷系統(tǒng)以識別和確定單個單元的故障。[0011]圖1是根據(jù)傳統(tǒng)技術的示例性實施方式的燃料電池堆的診斷系統(tǒng)的示意圖。參照圖1，根據(jù)傳統(tǒng)技術的示例性實施方式的燃料電池堆的診斷系統(tǒng)包括:將診斷AC電流注入到燃料電池堆10中的交流(AC)電流注入器20以及通過分析由注入診斷AC電流引起的AC電流變化而對燃料電池堆10進行診斷的診斷分析儀30。
[0012]由于這些類型的診斷系統(tǒng)通常通過診斷AC電流信號的總諧波失真分析(THDA)進行診斷，因此診斷分析儀30通常包括諧波分析儀。
[0013]當通過AC電流注入器20將診斷AC電流Iac注入到燃料電池堆10中時，診斷AC電流Iac與燃料電池堆10的電流I Jft疊力口。因此，診斷AC電流Iac分量也包括在流向負載40的電流I M中。
[0014]當燃料電池堆10的電流I _和AC電流注入器20的診斷AC電流Iac疊加并且從而到達負載40時，診斷分析儀30檢測來自燃料電池堆10的電壓，變換并分析檢測電壓的頻率，并且診斷燃料電池堆10的狀態(tài)和/或故障。
[0015]然而，為了防止與來自燃料電池堆10的DC電流碰撞，傳統(tǒng)技術的示例性實施方式的診斷系統(tǒng)的AC電流注入器20還通常包括去耦電容器(CO。由于AC電流注入器20的CT應當通過較低頻率的AC電流，因此CT應當具有相當大的容量。因此，通過并聯(lián)連接多個小容量電容器(CN)而形成AC電流注入器20的CT。然而，由于需要大量的這些電容器，因此CT的總尺寸和成本比大多數(shù)汽車制造商所期望的要大。此外，當AC電流注入器20的診斷AC電流通過CT時，診斷AC信號可以失真，因此不可以進行精確診斷。
[0016]本【背景技術】部分中公開的上述信息僅為加強對本發(fā)明的【背景技術】的理解，并且因此，其可包含并未形成本國中本領域普通技術人員已經已知的現(xiàn)有技術的信息。

【發(fā)明內容】

[0017]本發(fā)明已經在致力于提供燃料電池堆的診斷和熱管理系統(tǒng)，通過將AC診斷信號施加至功率晶體管的基極以便使來自燃料電池堆的部分電流可以以正弦波的形式流動通過功率晶體管，所述診斷和熱管理系統(tǒng)能夠經濟地診斷燃料電池堆而在使用更簡化的結構時不存在AC電流的失真，并且當診斷燃料電池堆時，通過在診斷時使用熱電元件(熱電偶)有效地管理功率晶體管中產生的熱(例如，在夏季，使用熱電元件作為吸熱裝置，而在冬季，使用熱電元件作為發(fā)熱裝置(放熱裝置))，也能夠有效進行熱管理。
[0018]本發(fā)明的示例性實施方式提供了燃料電池堆的診斷和熱管理系統(tǒng)。更具體地，被構造成通過測定燃料電池堆的電壓和電流來診斷并分析燃料電池堆的狀態(tài)的診斷控制分析儀。AC信號發(fā)生器被構造成根據(jù)從診斷控制分析儀接收控制命令(控制指令)/信號而產生診斷AC信號。可以根據(jù)從AC信號發(fā)生器輸出的AC信號來驅動AC分量驅動元件以在燃料電池堆的電流中包括用于診斷的AC分量。同樣，當AC分量驅動元件的溫度等于或大于預訂溫度時，熱電元件可以被操作作為吸熱裝置t，并且當AC分量驅動元件的溫度小于預訂溫度時，熱電元件可以被操作作為發(fā)熱裝置，從而管理在AC分量驅動元件中產生的熱。因此，在本發(fā)明的一些示例性實施方式中，AC分量驅動元件可以是功率晶體管。
[0019]此外，診斷和熱管理系統(tǒng)可以進一步包括控制熱電元件的熱電元件控制器(熱電偶控制器)，并且溫度傳感器可以檢測功率晶體管的溫度。在這種實施方式中，熱電元件控制器可以根據(jù)通過溫度傳感器檢測的功率晶體管的溫度控制熱電元件。[0020]特別地，當通過溫度傳感器檢測的功率晶體管的溫度等于或大于預定溫度時，熱電元件控制器可以操作熱電元件作為吸熱裝置；并且當通過溫度傳感器檢測的功率晶體管的溫度小于預定溫度時，熱電元件控制器可以操作熱電元件作為發(fā)熱裝置。
[0021]如以上所描述的，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式，通過將診斷AC信號施加至功率晶體管的基極以使燃料電池堆的部分電流可以以正弦波形的形式流動通過功率晶體管，可以經濟地診斷燃料電池堆而不存在通過簡單結構的AC電流的失真。同樣，在運行診斷過程時通過使用熱電元件有效地管理在功率晶體管中產生的熱(例如，在夏季，使用熱電元件作為吸熱裝置；而在冬季，使用熱電元件作為發(fā)熱裝置)，在診斷燃料電池堆的同時可以有效地進行熱管理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是根據(jù)傳統(tǒng)技術的示例性實施方式的燃料電池堆的診斷系統(tǒng)的示意圖。
[0023]圖2是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的燃料電池堆的診斷和熱管理系統(tǒng)的示意圖。
[0024]圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的燃料電池堆的診斷和熱管理系統(tǒng)的操作的曲線圖。
【具體實施方式】
[0025]在下文中，將參照其中示出了本發(fā)明的示例性實施方式的附圖更全面地描述本發(fā)明。如本領域的技術人員將意識到的，在完全不背離本發(fā)明的精神或范圍的前提下，可以以各種不同的方式對所描述的示例性實施方式進行修改。
[0026]應當理解，如本文所使用的術語“車輛(vehicle)”或“車輛的(vehicular)”或其他的類似術語包括廣義的機動車輛，諸如包括運動型多用途車輛(SUV)、公共汽車、貨車、各種商用車輛的載客車輛，包括各種小船(boat)和船舶(ship)的水運工具(watercraft),飛行器等，并且包括混合動力車輛、電動車輛、插入式混合電動車輛、氫動力車輛以及其他可替換的燃料車輛(例如，從除石油以外的資源獲得的燃料)。如本文中所提及的，混合動力車輛是具有兩種或多種動力源的車輛，例如，汽油動力和電動力車輛。
[0027]此外，應當理解，通過至少一種控制器(例如，診斷分析儀)執(zhí)行以下方法。術語“控制器”是指包括存儲器和處理器的硬件設備。存儲器被構造成存儲模塊，并且處理器具體地被構造成執(zhí)行所述模塊以執(zhí)行以下進一步描述的一個或多個處理。
[0028]此外，本發(fā)明的控制邏輯可以體現(xiàn)為包括由處理器、控制器等執(zhí)行的可執(zhí)行程序指令的計算機可讀介質上的非暫時性計算機可讀介質(non-transitory computerreadable media)。計算機可讀介質的實例包括但不限于，ROM、RAM、光盤(⑶)-ROM、磁帶、軟盤、閃存驅動、智能卡以及光學數(shù)據(jù)存儲裝置。計算機可讀記錄介質也可分布在網(wǎng)絡接合的計算機系統(tǒng)中，從而以分布式方式存儲并且執(zhí)行計算機可讀介質，例如通過遠程信息處理服務器(telematics server)或控制器局域網(wǎng)絡(CAN)。
[0029]此外，本文中使用的術語僅用于描述【具體實施方式】的目的，而并不旨在限制本發(fā)明。如在本文中使用的，除非上下文另外清楚地表明，否則單數(shù)形式“一個”、“一種”和“該”也旨在包括復數(shù)形式。將進一步理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明了存在所述的特征、整體、步驟、操作、元件(要素)和/或部件，但是不排除存在或附加一個或多個其他特征、整體、步驟、操作、元件(要素)、部件和/或它們的組。如在本文中使用的，術語“和/或”包括相關的所列項目中的一個或多個的任一者和所有組合。
[0030]除非從上下文明確說明或者顯而易見，否則如在本文中使用的，術語“約”應理解為在本領域中正常容許的范圍內，例如在平均值的2個標準偏差內?！凹s”可以理解為在規(guī)定值的 10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%、或 0.01% 內。除非從上下文另外清楚地表示，否則本文中提供的所有數(shù)值均由術語“約”來修飾。
[0031 ] 貫穿本說明書，相同的參考標號指明相同的元件。
[0032]圖2是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的燃料電池堆的診斷和熱管理系統(tǒng)的示意圖。根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的燃料電池堆的診斷和熱管理系統(tǒng)是有效管理由診斷過程產生的熱同時診斷燃料電池堆的系統(tǒng)。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的燃料電池堆的診斷和熱管理系統(tǒng)包括:被構造成通過測定燃料電池堆10的電壓V Jft和電流Iift以及電壓V Jft和電流I Jft的頻率來診斷并分析燃料電池堆10的狀態(tài)的診斷控制分析儀100 ;被構造成產生基于來自診斷控制分析儀100的指令(例如，信號)的診斷AC信號IseWAC信號發(fā)生器200 ;以及被構造成根據(jù)從AC信號發(fā)生器200輸出的AC信號驅動以在燃料電池堆10的電流I Jft中包括診斷AC分量的AC分量驅動元件300。同樣，當AC分量驅動元件300的溫度等于或大于預定溫度時,熱電元件500被操作作為吸熱裝置；并且當AC分量驅動元件300的溫度小于預定溫度時，熱電元件500操作作為放熱裝置,從而管理在AC分量驅動元件300中產生的熱。通過包括涉及控制的專門的程序指令的熱電元件控制器550來執(zhí)行熱電元件500的控制。
[0034]診斷控制分析儀100對應于傳統(tǒng)診斷分析儀30(顯示在圖1中)。在本發(fā)明的示例性實施方式中，診斷控制分析儀100可以對應于傳統(tǒng)診斷分析儀30 (如在圖1中示出的)。診斷控制分析儀100基于通過負載40的來自包括AC分量的燃料電池堆10的電流和電壓來診斷燃料電池堆10。
[0035]在本發(fā)明的示例性實施方式中，AC分量驅動元件300可以例如形成為功率晶體管(TR)。然而，應當理解，本發(fā)明不僅僅限于功率晶體管而是可以使用其他部件。因此，可以將能夠基本上對應于TR的其他結構應用于本發(fā)明中。
[0036]在本發(fā)明的示例性實施方式中，熱電元件500包括在系統(tǒng)中的原因在于在操作TR時產生相當大的量的熱。因此，在冬季(例如，當溫度小于預定溫度時)，有必要使用來自TR的熱作為加熱元件；而在夏季(例如，當溫度為預定溫度或更高時)，有必要冷卻功率晶體管。為此目的，本發(fā)明的示例性實施方式可以包括被構造成檢測TR的溫度的溫度傳感器400。
[0037]更具體地，當通過溫度傳感器400檢測的TR的溫度等于或大于預定溫度時，熱電元件控制器550操作熱電元件500作為吸熱裝置；并且當通過溫度傳感器400檢測的TR的溫度小于預定溫度時，熱電元件控制器550操作熱電元件500作為發(fā)熱裝置。
[0038]診斷控制分析儀100、AC信號發(fā)生器200、以及熱電元件控制器550可以形成有至少一種通過預定程序或包括在處理器中的硬件元件而操作的處理器。因此，診斷控制分析儀100、AC信號發(fā)生器200、以及熱電元件控制器550可以以集成體的形式形成。
[0039]在下文中，將參照圖2和圖3詳細地描述根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的燃料電池堆的診斷和熱管理系統(tǒng)的操作。
[0040]當開始燃料電池堆10的診斷時，根據(jù)診斷控制分析儀100的控制，AC信號發(fā)生器200產生AC信號I基極(Ibase)以使吸收電流Iinac可以流向TR，并且將AC信號I痛施加至TR的基極，如在圖3中示出的。施加至TR基極的AC信號I _?是放大區(qū)域的電流并且通過放大比率被控制以流向基極電流。當AC信號發(fā)生器200將AC信號I.施加至TR時，吸收電流I.流向TR，因此AC分量被包括在燃料電池堆10的電流Iift中，如圖3中示出的。此外，一旦AC分量被包括在燃料電池堆10的電流I Jft中，AC分量就包括在流向負載40的負載電流I M中。
[0041]如以上所描述的，作為通過驅動TR產生的吸收電流I.，當AC分量(例如，AC電流)在燃料電池堆10的電流Iift中產生時，診斷控制分析儀100通過一般診斷方法分析其中包括AC分量的燃料電池堆10的電流和/或電壓的頻率并且診斷燃料電池堆10的故障和/或狀態(tài)。[0042]通過其中包括AC分量(例如AC電流)的燃料電池堆的電流和/或電壓診斷燃料電池堆的方法可以遵循一般方法或本領域中所熟知的方法，從而將省去其中的討論。
[0043]如以上所描述的，當進行燃料電池堆10的診斷時，由于其操作TR產生熱。然后，通過溫度傳感器400來檢測TR的溫度，并且將通過溫度傳感器400檢測的TR的溫度輸入到熱電元件控制器550中。
[0044]當通過溫度傳感器400檢測的TR的溫度等于或大于預定溫度(例如，約30°C )時，熱電元件控制器550可以被構造成控制熱電元件500以吸收TR中產生的熱，從而冷卻外圍(周圍)。在一些示例性實施方式中，可以通過診斷控制分析儀100來控制熱電元件控制器550。
[0045]可替換地，當通過溫度傳感器400檢測的TR的溫度小于預定溫度(例如，約5°C)時，通過操作熱電元件500作為發(fā)熱裝置，熱電元件控制器550提高了外圍的溫度連同由TR產生的熱。此外，在一些實施方式中，在預定的溫度范圍內(例如，約5°C -約30°C )，熱電元件控制器550可能不操作熱電元件500。
[0046]因此，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式，通過將診斷AC信號施加至功率晶體管的基極以使燃料電池堆的部分電流可以以正弦波形流動通過功率晶體管，可以經濟地診斷燃料電池堆而不存在通過簡單的結構的AC電流的失真，并且在執(zhí)行診斷過程時，通過在燃料電池堆診斷過程中通過使用熱電元件而有效地管理功率晶體管中產生的熱(例如，在夏季使用熱電元件作為吸熱裝置，而在冬季使用熱電元件作為發(fā)熱裝置)，可以有效地進行熱管理。
[0047]盡管已結合目前被視為實際的示例性的實施方式描述了本發(fā)明，但應當理解，本發(fā)明不限于所公開的實施方式，相反，而是旨在涵蓋包含在所附權利要求的精神和范圍內的各種修改和等同安排。
[0048]〈標號說明〉
[0049]10:燃料電池堆，100:診斷控制分析儀
[0050]200:AC信號發(fā)生器，300:AC分量驅動元件[0051 ] 400:溫度傳感器，500:熱電元件
[0052]550:熱電元件控制器，TR:功率晶體管。
【權利要求】
1.一種燃料電池堆的診斷和熱管理系統(tǒng)，包括: 診斷控制分析儀，被構造成通過測量所述燃料電池堆的電壓和電流來診斷并分析所述燃料電池堆的狀態(tài)； AC信號發(fā)生器，被構造成在從所述診斷控制分析儀接收到控制命令時產生診斷AC信號；以及 AC分量驅動元件，被構造成根據(jù)從所述AC信號發(fā)生器輸出的所述診斷AC信號而被驅動從而在來自所述燃料電池堆的所述電流中包括診斷AC分量；以及 熱電元件，當所述診斷AC分量驅動元件的溫度等于或大于第一預定溫度時被驅動作為吸熱裝置，并且當所述診斷AC分量驅動元件的溫度小于第二預定溫度時被驅動作為發(fā)熱裝置。
2.根據(jù)權利要求1所述的診斷和熱管理系統(tǒng)，其中，所述AC分量驅動元件是功率晶體管。
3.根據(jù)權利要求2所述的診斷和熱管理系統(tǒng)，進一步包括控制所述熱電元件的控制器。
4.根據(jù)權利要求3所述的診斷和熱管理系統(tǒng)，進一步包括被構造成檢測所述功率晶體管的溫度的溫度傳感器， 其中，所述熱電元件控制器基于由所述溫度傳感器檢測到的所述功率晶體管的溫度來控制所述熱電元件。
5.根據(jù)權利要求4所述的診斷和熱管理系統(tǒng)，其中，當由所述溫度傳感器檢測到的所述功率晶體管的溫度等于或大于預定溫度時，所述熱電元件控制器操作所述熱電元件作為吸熱裝置，并且當由所述溫度傳感器檢測到的所述功率晶體管的溫度小于預定溫度時，所述熱電元件控制器操作所述熱電元件作為發(fā)熱裝置。
6.一種用于燃料電池堆的診斷和熱管理方法，包括: 通過測量所述燃料電池堆的電壓和電流，通過處理器來診斷并分析所述燃料電池堆的狀態(tài)； 在從所述診斷控制分析儀接收到控制信號時，由AC信號發(fā)生器產生診斷AC信號； 在接收到從所述AC信號發(fā)生器輸出的所述診斷AC信號時驅動AC分量驅動元件，以在來自所述燃料電池堆的所述電流中包括AC分量；以及 通過傳感器檢測所述AC分量驅動元件的溫度，其中，當所述AC分量驅動元件的所述溫度等于或大于第一預定溫度時，熱電元件被驅動作為吸熱裝置，并且當所述AC分量驅動元件的所述溫度小于第二預定溫度時，熱電元件被驅動作為發(fā)熱裝置。
7.根據(jù)權利要求6所述的診斷和熱管理方法，其中，所述AC分量驅動元件是功率晶體管。
8.根據(jù)權利要求7所述的診斷和熱管理方法，進一步包括通過控制器來控制所述熱電元件。
9.根據(jù)權利要求8所述的診斷和熱管理方法，進一步包括當由所述傳感器檢測到的所述溫度小于所述第一 預定溫度并且大于所述第二預定溫度時，關閉所述熱電元件。
10.一種包括由處理器執(zhí)行的程序指令的非暫時性計算機可讀介質，所述計算機可讀介質包括:通過測量所述燃料電池堆的電壓和電流而診斷并分析所述燃料電池堆的狀態(tài)的程序指令； 在接收到控制命令時產生診斷AC信號的程序指令；以及 通過產生從所述AC信號發(fā)生器輸出的所述診斷AC信號來驅動AC分量驅動元件以在來自所述燃料電池堆的所述電流中包括用于診斷的AC分量的程序指令；以及 當所述AC分量驅動元件的溫度等于或大于第一預定溫度時驅動熱電元件作為吸熱裝置，并且當所述AC分量驅動元件的所述溫度小于第二預定溫度時驅動所述熱電元件作為發(fā)熱裝置的程序指令。
【文檔編號】H01M8/04GK103904347SQ201310733899
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權日:2012年12月27日
【發(fā)明者】鄭貴成, 金世勛, 金億洙, 樸鉉碩, 李镕賢 申請人:現(xiàn)代自動車株式會社, 江南大學校 產學協(xié)力團