用于診斷燃料電池堆的故障的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于診斷燃料電池堆的故障的裝置。該故障診斷裝置包括交變電流（AC）吸收單元，連接至燃料電池堆并且基于施加的AC信號切換以使得來自燃料電池堆的電流能夠流通。此外，AC信號生成器被配置為生成AC信號并將所生成的AC信號提供給AC吸收單元。當來自燃料電池堆的電流由AC吸收單元基于交流信號吸收時，輸入診斷處理單元的堆電流包括AC分量，因此，該診斷處理單元可以通過分析AC分量的頻率來診斷燃料電池堆的故障。
【專利說明】用于診斷燃料電池堆的故障的裝置
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2012年12月11日向韓國知識產(chǎn)權局提交的韓國專利申請第10-2012-0143882號的優(yōu)先權和權益，通過引用將其全部內(nèi)容結合于此。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明涉及用于診斷燃料電池堆的故障的裝置。
【背景技術】
[0004]燃料電池是一種將通過燃料的氧化生成的電能直接轉換成可被任意數(shù)量的設備利用的化學能的電池。對于大部分燃料電池來說，由于它們使用氧化和還原反應來產(chǎn)生能量，所以燃料電池等同于化學電池。然而，在燃料電池中，反應物是間歇地由外部源提供，并因此，反應產(chǎn)物從燃料電池系統(tǒng)中連續(xù)移除。然而，在化學電池中，電池反應在密閉系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行。
[0005]現(xiàn)在，由于燃料電池的反應產(chǎn)物是純凈水并因此非常環(huán)境友好，從而燃料電池的商業(yè)化已經(jīng)開始取得成功。因此，汽車行業(yè)對于將燃料電池用作車輛的能源的研究有極大興趣。
[0006]燃料電池通常以其中一個位于另一個的頂部/旁邊的形式連續(xù)設置多個單元電池的堆組件組成，這在本行業(yè)內(nèi)稱為燃料電池堆。電能通過對燃料電池堆的每個單元電池提供作為燃料的氫和作為氧化劑的氧來產(chǎn)生。然而，當在組成燃料電池堆的單元電池之中的任意一個電池性能劣化或發(fā)生故障時，燃料電池堆的整個性能劣化并因此不能提供穩(wěn)定工作。
[0007]在現(xiàn)有技術中，通過測量從燃料電池堆的每個單元電池中輸出的電壓來診斷燃料電池堆的性能。這種診斷方法包括總諧波失真分析(THDA)方法。THDA方法通過經(jīng)由堆電壓頻率分析計算失真率來診斷電池電壓。雖然通過THDA方法可以容易地檢測電池電壓的下降，但是本質上難以定量測量什么引起電池電壓的下降。
[0008]然而，針對上述的故障診斷，需要提升直流(DC)電壓的DC至DC (DC-DC)轉換器和將所提升電壓轉換成交流(AC)電壓的DC至AC (DC-AC)逆變器以將交變電流注入燃料電池堆中。由于需要以上轉換器和逆變器二者，用于診斷燃料電池堆中的故障的裝置配置變得復雜并需要多個部分(part)。因此，抬高了產(chǎn)品價格。此外，故障診斷裝置需要電容器在將交變電流注入直流中時解耦。當交變電流流經(jīng)上述電容器時，信號發(fā)生失真。因此，可能難以應用正弦波交變電流。
[0009]本部分披露的上述信息僅用于加強對本發(fā)明的【背景技術】的理解，并因此它可能包含的信息不形成該國的本領域的普通技術人員已知的現(xiàn)有技術。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提供一種可以利用進一步簡化的結構來診斷燃料電池堆是否已經(jīng)發(fā)生故障的故障診斷裝置。
[0011]本發(fā)明的示例性實施方式提供一種診斷燃料電池堆中的故障的裝置，該裝置包括:交變電流(AC)吸收單元，與燃料電池堆連接并根據(jù)所施加AC信號切換以使得來自燃料電池堆的電流能夠流通；AC信號生成器，被配置為生成AC信號，并將所生成AC信號提供給AC吸收單元；以及診斷處理單元，被配置為測量燃料電池堆的堆電壓或堆電流，并基于所測量堆電壓或堆電流來診斷燃料電池堆是否具有故障。AC信號生成器可以基于從診斷處理單元輸出的控制信號改變頻率和幅度，因此生成AC信號。
[0012]此外，AC吸收單元可包括集電極端子連接燃料電池堆的第一端子，發(fā)射極端子連接燃料電池堆的第二端子，以及基極端子連接AC信號生成器的輸出端子的晶體管。負載可以連接在燃料電池堆的第一端子和燃料電池堆的第二端子之間，以及從燃料電池堆輸出的堆電流可以是流經(jīng)AC吸收單元的吸收電流或流經(jīng)負載的負載電流的和。
[0013]本發(fā)明的另一示例性實施方式提供診斷燃料電池堆中的故障的裝置，該裝置包括:AC吸收單元，連接在燃料電池的兩端子之間并根據(jù)所施加的AC電流切換以使得來自燃料電池堆的電流能夠吸收并流通；負載單元，連接在燃料電池堆的兩端子并且來自燃料電池堆的電流在負載單元中流通；AC信號生成器，被配置為生成AC信號并將所生成AC信號提供給AC吸收單元；以及診斷處理單元，被配置為測量包括流經(jīng)AC吸收單元的吸收電流和流經(jīng)負載單元的負載電流的堆電流，測量燃料電池堆的堆電壓，并基于所測量的堆電壓或堆電流來診斷燃料電池堆是否具有故障或遇到錯誤。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式，可以利用進一步簡化的結構來診斷燃料電池堆中的故障。具體地，盡管未使用DC-DC轉換器和將所提升的DC電壓轉換為交變電流的DC-AC逆變器，但可以使得燃料電池堆的電流能夠具有交變電流。從而，故障診斷裝置的結構可變得簡單以及可以使用相對少數(shù)的部分。因此，可以降低故障診斷裝置的生產(chǎn)成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的診斷燃料電池堆中的故障的裝置的結構的示例性示圖；
[0016]圖2 (a)、圖2 (b)和圖2 (C)是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的堆電流特性的示例性曲線圖；以及
[0017]圖3是示出了取決于根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的燃料電池堆的每個電池的工作狀態(tài)的伏安特性的示例性圖表。
【具體實施方式】
[0018]應當理解，本文中所使用的術語“車輛(vehicle)”或“車輛的(vehicular)”或其他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、卡車、各種商用車輛的載客車輛；包括各種小船、海船的船只；航天器等；并且包括混合動力車輛、電動車輛、插電混合動力車、燃料電池車輛和其他替代燃料車輛(例如，燃料來源于非汽油能源)。本文所稱混合電動車輛時具有兩種或兩種以上動力源的車輛，例如，具有汽油動力和電動力二者的車輛。
[0019]盡管示例性實施方式被描述為使用多個單元來執(zhí)行示例性處理，但是應當理解，也可由一個或者多個模塊執(zhí)行該示例性處理。此外，應當理解，術語控制器/控制單元指代包括存儲器和處理器的硬件設備。存儲器被配置為對模塊進行存儲，并且處理器具體地被配置為執(zhí)行所述模塊以執(zhí)行下面進一步描述的一個或多個處理。
[0020]進一步地，本發(fā)明的控制邏輯可體現(xiàn)為非易失性計算機可讀介質，在計算機可讀介質上包含由處理器、控制器/控制單元等執(zhí)行的可執(zhí)行程序指令。計算機可讀介質的示例包括但并不限于:R0M、RAM、光盤(CD) -ROM、磁帶、軟盤、閃存驅動、智能卡和光學數(shù)據(jù)存儲設備。計算機可讀介質也可分布在網(wǎng)絡耦合的計算機系統(tǒng)中，從而例如通過車載通信服務器(telematics server)或控制器局域網(wǎng)絡(CAN)以分布式方式存儲并且執(zhí)行該計算機可讀介質。
[0021]本文中所使用的措辭僅是為了描述特定實施方式而并不旨在對本發(fā)明進行限制。除非上下文另有明確說明，否則如本文中所使用的單數(shù)形式“一(a)”、“一(an)”及“該”也旨在包括復數(shù)形式。還應當理解，當術語“包括”和/或“包含”用于本說明書時，其指定了存在所述特征、整體、步驟、操作、元件及/或組件，但并不排除存在或附加有一個或多個其他特征、整體、步驟、操作、元件、組件及/或其組合。作為本文中所用的術語“和/或”包括一個或多個相關的所列項的任何及所有組合。
[0022]在以下【具體實施方式】中，已經(jīng)通過圖示僅對本發(fā)明的示例性實施方式的方式進行簡單的示出和描述。如本領域的那些技術人員應理解的，所述實施方式可以以各種不同方式進行修改，而完全不偏離本發(fā)明的實質和范圍。因此，附圖和說明在本質上被視為說明性而非限制性的。通篇說明書中，相同附圖標記指代相同元件。
[0023]在本說明書中，除非明確描述為相反，否則，詞語“包括/包含(comprise/include)” 和諸如“包括 / 包含(comprises/includes)” 或“包括 / 包含(comprising/including)”等的變形將理解為暗示包含所述元件，但并不排除任何其他元件。
[0024]在下文中，將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的診斷燃料電池堆中的故障的裝置。圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的診斷燃料電池堆中的故障的裝置的結構的示例性示圖。
[0025]如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的診斷燃料電池堆2中的故障的裝置I (在下文中，稱作“故障診斷裝置I”)可包括:與燃料電池堆I連接的交變電流(AC)吸收單元11，被配置為生成操作AC吸收單元11的AC信號的AC信號生成器12，以及配置為通過測量燃料電池堆2的電壓和電流來執(zhí)行故障診斷的診斷處理單元13。
[0026]針對燃料電池堆2的故障診斷，連接至燃料電池堆2的來自燃料電池堆2的電流在其中流通從而使得堆電流具有交流分量的AC吸收單元11可以包括晶體管TR1。此外，負載單元，即，負載Rl可以被包括在故障診斷裝置I中或與其連接，以及負載Rl為使用從燃料電池堆2生成的電流的所有部分的簡稱。負載消耗燃料電池的功率，以及負載可以包括諸如逆變器、電機、DC-DC轉換器、電池等。
[0027]晶體管TRl的集電極端子可以連接至燃料電池堆2的第一端子(例如，+端子)，發(fā)射極端子可以連接至燃料電池堆2的第二端子(例如，一端子)，以及基極端子可以連接至AC信號生成器12的輸出端子。負載Rl第一側的端子可以連接至燃料電池堆2的第一端子，負載R2第二側的端子可以連接至燃料電池的第二端子。因此，從燃料電池堆2輸出的堆電流可以流經(jīng)晶體管TRl并流經(jīng)負載R1。流經(jīng)晶體管TRl的電流稱作吸收電流，而流經(jīng)負載Rl的電流稱作負載電流。
[0028]圖2 (a)、圖2 (b)和圖2 (C)是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的堆電流特性的示例性曲線圖。如圖2 (b)所示，根據(jù)晶體管TRl的切換操作，吸收電流可以具有AC分量，以及如圖2 (c)所示，負載電流可以具有DC分量。從燃料電池堆2輸出的堆電流根據(jù)晶體管的操作可以流經(jīng)晶體管TR1，并因此變?yōu)榻涣鞣至?。因此，如圖2 (a)所示，堆電流可以表示為負載電流和吸收電流的和。
[0029]AC信號生成器12可被配置為生成為驅動AC吸收單元11的晶體管TRl的AC信號(或者也可以稱為驅動電流)并可配置為將所生成AC信號輸出至晶體管TRl的基極端子。即使在具有極小功率量的情況下，AC信號也可以使得堆電流能夠表示為AC分量。在晶體管TRl中流通的電流可以是晶體管TRl的放大區(qū)的電流。因此，與施加到基極端子的電流相比，流出的是以放大率放大的電流。
[0030]AC信號生成器120可被配置為根據(jù)從診斷處理單元13輸出的控制信號來生成AC信號。診斷處理單元13可被配置為根據(jù)控制信號來調整從AC信號生成器12輸出電流的頻率。提供給AC吸收單元11的晶體管TRl的AC信號可以表示為Itrait=ImaxX sin ω?。頻率ω根據(jù)控制信號變化。AC信號生成器12可被配置為根據(jù)例如從驅動電流控制單元13輸出的控制信號來生成IOHz的AC信號，以及AC信號生成器12可被配置為向AC吸收單元11提供所生成的AC信號。
[0031]如上所述，由于僅需要燃料電池堆2的電流流經(jīng)AC吸收單元11的晶體管TR1，所以不需要將要注入燃料電池堆2的功率量。需要輸入晶體管TRl的基極端子的AC信號僅以正弦曲線波形的形式流通，因此，可以簡化故障診斷裝置的配置以及可以降低所使用的部分的數(shù)目。此外，不同于將交變電流注入直流，交變電流可以直接在晶體管TRl中流通，并因此可不需要解耦電容器。因此，可以不發(fā)生交變電流的失真，可以使得接近正弦曲線波形的交變電流能夠流通。
[0032]同時，診斷處理單元1·3可被配置為測量燃料電池堆2的堆電壓和/或堆電流，并基于所測量堆電壓和/堆電流來診斷燃料電池堆2是否具有故障。此外，將基于上述結構描述根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的診斷燃料電池堆中的故障的裝置的操作。
[0033]為了診斷燃料電池堆2中的故障，故障診斷裝置I可被配置為生成預定頻率的交變電流并將所生成的交變電流提供給AC吸收單元11。例如，當將從AC信號生成器12輸出的IOHz的預定頻率的AC信號提供給AC吸收單元11的晶體管TRl時，晶體管TRl可以被配置為執(zhí)行導通或截止的切換操作，從而從燃料電池堆2輸出的堆電流可以流經(jīng)AC吸收單元11。此外，該堆電流可以流經(jīng)負載R1。
[0034]因此，如圖2 (a)、圖2 (b)和圖2 (C)所示，輸入診斷處理單元13的堆電流可以包括:流經(jīng)晶體管TRl的AC分量的吸收電流和流經(jīng)負載Rl的DC分量的負載電流。診斷處理單元13可被配置為測量堆電壓和堆電流并基于所測量的堆電壓和堆電流診斷燃料電池堆2中的故障。例如，診斷處理單元13可配置為測量堆電壓，基于所測量的堆電壓計算失真率并基于所計算的失真率診斷燃料電池堆2中的故障?？傊C波失真分析(THDA)可以用作計算失真率的方法。
[0035]圖3是示出根據(jù)燃料電池堆的每個電池的工作狀態(tài)的伏安特性的示例性曲線圖。
[0036]通常，當向燃料電池堆2提供正弦曲線波形時，在燃料電池堆2中正常工作(例如，沒有錯誤)的電池電壓在由圖3中的虛線所表示的線性部分中變化，而在燃料電池堆2中異常工作(例如，具有錯誤)的電池電壓在由圖3中的實線所表示的非線性部分中變化。因此，正常電池的電壓根據(jù)電流中的變化可以具有減弱的失真，然而異常電池的電壓基于電池電流中的變化可以具有增大的電壓幅度和增強的失真。因此，可以通過利用堆電流的頻率分析計算失真率并基于所計算的失真率診斷電池電壓是否已經(jīng)下降來診斷燃料電池堆2中的故障。關于以上故障診斷方法的一個示例，可以使用其他方法(例如，基于堆電壓和堆電流測量阻抗并因此診斷燃料電池堆2中的故障的方法)。
[0037]雖然已經(jīng)結合當前認為的示例性實施方式描述了本發(fā)明，但應當理解，本發(fā)明不限于所披露的實施方式，而是相反，旨在涵蓋在所附權利要求的實質和范圍內(nèi)包括的各種修改和等同配置。
【權利要求】
1.一種診斷燃料電池堆中的故障的裝置，所述裝置包括: 交變電流(AC)吸收單元，連接至所述燃料電池堆并且基于施加的AC信號切換以使來自所述燃料電池堆的電流能夠流通； AC信號生成器，被配置為生成所述AC信號并將所生成的AC信號提供給所述AC吸收單元；以及 處理器，被配置為: 測量所述燃料電池堆的堆電壓或堆電流；以及 基于所測量的堆電壓或堆電流來診斷所述燃料電池堆中的故障。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中: 所述AC信號生成器基于從診斷處理單元輸出的控制信號來改變頻率和幅度以生成所述AC信號。
3.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中，所述AC吸收單元包括: 晶體管，其中，集電極端子連接至所述燃料電池堆的第一端子，發(fā)射極端子連接至所述燃料電池堆的第二端子，以及基極端子連接至所述AC信號生成器的輸出端子。
4.根據(jù)權利要求3所述的裝置，其中: 負載連接在所述燃料電池堆的第一端子和所述燃料電池堆的第二端子之間，以及從所述燃料電池堆輸出的所述堆電流是流經(jīng)所述AC吸收單元的吸收電流和流經(jīng)所述負載的負載電流的和。
5.一種用于診斷燃料電池堆中的故障的裝置，所述裝置包括: 交變電流(AC)吸收單元，連接在所述燃料電池堆的兩端子之間并基于施加的AC信號切換以使得來自所述燃料電池堆的電流能夠被吸收并流通； AC信號生成器，被配置為生成所述AC信號并向所述AC吸收單元提供所生成的AC信號；以及 處理器，被配置為: 測量包括流經(jīng)所述AC吸收單元的吸收電流和流經(jīng)負載單元的負載電流的堆電流； 測量所述燃料電池堆的堆電壓；以及 基于所測量的堆電壓或堆電流來診斷所述燃料電池堆中的故障。
6.根據(jù)權利要求5所述的裝置，其中，所述AC吸收單元包括: 晶體管，其中，集電極端子連接至所述燃料電池堆的第一端子，發(fā)射極端子連接至所述燃料電池堆的第二端子，以及基極端子連接至所述AC信號生成器的輸出端子。
7.一種操作燃料電池堆故障診斷裝置的方法，所述方法包括: 由交變電流(AC)信號生成器生成預定頻率的驅動電流； 由處理器基于所生成的驅動電流來測量堆電壓和堆電流； 由所述處理器基于所測量的堆電壓來計算失真率；由所述處理器基于控制信號來調整所述堆電流的頻率； 由控制器基于所計算的失真率來診斷所述燃料電池堆中的故障。
【文檔編號】G01R31/36GK103872360SQ201310676376
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年12月11日 優(yōu)先權日:2012年12月11日
【發(fā)明者】鄭貴成, 琴榮范, 金世勛, 高幸進, 李镕賢, 金億洙, 樸鉉碩 申請人:現(xiàn)代自動車株式會社, 現(xiàn)代奧特勞恩株式會社