用于燃料電池堆中的電池的旁路系統的制作方法

專利名稱：用于燃料電池堆中的電池的旁路系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及串聯連接的電化學單元堆的旁路系統。所述系統包括旁路電路，每一個旁路電路被連接在電化學單元的正極和負極之間。所述系統還包括控制電路，所述控制電路用于向所述旁路電路中的至少一個發送控制信號以使該旁路電路將該旁路電路所連接到的電極之間的電化學單元旁路。
背景技術：
公知串聯連接的電化學單元的組件(通常稱為堆(stack))。例如，可以通過蓄能元件或通過燃料電池形成由此組裝的電化學單元。燃料電池是用于將化學能直接轉變為電能的電化學裝置。例如，一種類型的燃料電池包括陽極和陰極，在陽極與陰極之間設置有通常稱為聚合物電解質膜的質子交換膜。該類型的膜僅僅允許質子在燃料電池的陽極與陰極之間通過。在陽極處，雙原子氫經歷反應而產生將穿過聚合物電解質膜的H+離子。該反應所產生的電子通過燃料電池外部的電路而進入陰極，由此產生電流。由于單個燃料電池通常僅僅產生低電壓(約1伏)，因而通常將燃料電池串聯連接以形成能夠產生包括每個電池的電壓之和的較高電壓的燃料電池堆(fuel cell stack)。 燃料電池堆的一個缺點為將其斷開不足以停止它們。實際上，如果由燃料電池在輸出處供給的電流突然減小到零，則形成堆的燃料電池不再能夠消除它們正在產生的電化學能，因而不同電池的端子之間的電壓易于升高到使聚合物膜及伴隨其的催化劑的劣化加速的點。 中斷燃料和氧化劑的供給也不足以停止燃料電池堆。在該情況下，在堆內封閉的燃料和氧化劑的量足以使反應保持相當長的時間。在使用氫作為燃料和氧作為氧化劑的燃料電池堆的情況下，使堆停止甚至要花費數小時的時間。美國專利2008/0038595公開了一種停止燃料電池堆的方法。該現有技術方法開始于停止控制信號的接收。該方法的第一步驟包括切斷氧供給。該方法的第二步驟包括產生維持電流，以便使用堆中大多數的氧。第三步驟包括將空氣引入到氧管道中，最后步驟包括切斷氫供給。經驗表明，在燃料電池堆的操作期間，各個電池并非都以精確地相同的方式運作。具體而言，它們不會都輸出相同的電壓并且也不會釋放相同量的熱。由此，在上述停止方法的第二步驟期間，單獨地調整從堆中的每個電池產生的電流是有利的。已知用于將流過燃料電池堆中的特定電池的電流旁路的系統。這些系統用于停止燃料電池疊層或用于隔離有缺陷的電池。已知的系統使用二極管和閥的網絡，如圖1所示。每個電池包括二極管和氣體供給閥。由計算單元電氣控制二極管和閥。當計算單元接收到停止控制信號時，計算單元通過每個電池的二級管來使電池短路。同時，計算單元切斷所關注的電池的一個或多個氣體供給閥，以停止處理。用于將流過燃料電池堆中的特定電池的電流旁路的已知系統具有一些缺點。具體而言，特定的燃料電池堆包括多于一百個串聯連接的電池。然而，依賴于電池的狀態是否良好以及所連接的負載，來自單獨的電池的電壓會在0與約1.2伏之間波動。因此，在燃料電池堆的情況下，特定電池與地之間的電勢差可總計為幾十或甚至幾百伏。不幸地，通常用于控制電流旁路的普通半導體器件不能耐受其輸入與地之間的高電壓(高于12或18伏)。

發明內容
本發明的目的為提供一種旁路系統，其中用于控制電流旁路的半導體部件不會經受過量的電壓。本發明因而涉及一種用于串聯連接的電化學單元的旁路系統，其中所述系統包括旁路電路，每個旁路電路被連接在電化學單元的正極和負極之間；以及控制電路，其被設置為向所述旁路電路中的至少一個發送控制信號以使該旁路電路將該旁路電路所連接到的電極之間的所述電化學單元旁路。所述旁路系統包括控制模塊，每個控制模塊具有其自身的電壓基準，每個所述旁路電路屬于所述模塊中的一個，每個控制模塊包括若干個旁路電路，并且屬于一個控制模塊的旁路電路被連接在鄰接的電化學單元的電極之間，以便所述控制模塊將所述堆細分為電化學單元的若干個組，并且每個控制模塊包括用于與所述控制電路通信的裝置，以便所述控制電路能夠控制屬于不同控制模塊的旁路電路。所述系統的特征在于，每個所述旁路電路與用于測量該旁路電路所連接到的電化學單元的電極之間的電勢差的電壓測量裝置關聯，其特征在于，每個控制模塊包括被設置為從所述控制電路接收信號的計算單元，以及其特征在于，所述旁路裝置具有可變阻抗，所述計算單元根據從所述控制電路接收的信號和與所述旁路裝置分別關聯的所述單元的電極之間的電勢差而控制所述可變阻抗。將電化學單元劃分為各自與控制模塊相關聯的若干個序列，這限制了同一序列的單元之間的電勢差。此外，由于每個控制模塊具有其自身的電壓基準，同一序列的各單元和與該序列相關聯的控制模塊的電壓基準之間的電勢差可被保持在與普通半導體器件相容 (compatible)的范圍內。根據本發明的有利變體，所述系統的每個旁路電路與用于測量該旁路電路所連接到的電化學單元的電極之間的電勢差的電壓測量裝置相關聯。此外，每個控制模塊包括被設置為從所述控制電路接收信號的處理單元。最后，所述旁路電路具有可變阻抗，所述控制單元根據從所述控制電路接收的信號和與所述旁路裝置分別關聯的所述單元的電極之間的電勢差而控制所述可變阻抗。根據該變體，由于給定的旁路電路的阻抗特別地依賴于該旁路電路所關聯的單元的電極之間的電勢差，該變體具有更好地考慮如下事實的優點如上所述，在燃料電池堆的操作期間，各電池并非都以精確地相同的方式運作。本發明的用于串聯連接的電化學單元的旁路系統的有利實施例形成了從屬權利要求3到6的主題。這些實施例的優點之一為，這些實施例允許電化學單元的堆逐漸并安全地停止。 實際上，通過由于為每個電池提供的可變阻抗而逐漸減小電池端子處的電勢差，根據本發明的系統使得可以使用包含在電池中的所有氣體。這于是防止了電池中的能夠損壞系統的任何氣體殘余。


通過對僅僅以非限制性實例的方式給出并由附圖示例的本發明的至少一個實施例的以下詳細描述，用于控制電化學單元的堆的系統的目的、優點以及特征將更加清楚地呈現，其中圖1示意性示出了根據現有技術的電池旁路系統；圖2為用于根據本發明的電化學單元的堆的控制系統的示意圖；圖3示出了根據本發明的系統的控制模塊的示意圖；以及圖4示意性示出了根據本發明的旁路系統。
具體實施例方式在以下說明中，將僅以簡化方式描述燃料電池堆的為本技術領域的技術人員所公知的所有那些部件。圖2示出了根據本發明的與燃料電池堆有關的旁路系統10的示意圖。該堆包括多個電化學單元3，每個電化學單元3具有用作連接點的負極和正極。在該實例中，每個單元3由單個燃料電池或若干個相接的燃料電池形成。然而，為了簡化，以下描述將不加區分地稱為單元或電池，但一個單元實際上可能由兩個或更多個電池形成。單元3被串聯連接以形成通常所稱的燃料電池堆。每個電池供應其值達到約1.2伏的電壓，對于約四十個串聯連接的電池的實例，可以給出約48伏的總電壓。單元3被分組以形成若干個單元的組或序列13。每個組13優選包括相同數目的單元3，并且在該實例中，每個組具有四個單元。單元3的每個組13被耦合到模塊12。每個模塊12被設置為與中心控制單元11通信，中心控制單元14通過通信總線15管理所有模塊。每個模塊12由電力總線14供電。該電力總線14包括不依賴于由燃料電池堆供給的電壓的不同的電力電路。這使得模塊12即使在燃料電池堆被斷電的情況下也能夠操作。圖3為形成根據本發明的特定實施例的旁路系統的一部分的模塊12的更詳細的圖。每個控制模塊12包括其自身的電源21，電源21從電力總線15接收能量但卻與其流電(galvanically)隔離。由于該特征，每個模塊21可具有其自身的基準電壓。在該實例中，通過隔離變壓器確保流電隔離，隔離變壓器的初級被連接到電力總線，隔離變壓器的次級形成電源21的一部分。在該實例中，電源21為模塊12的元件供應相對于模塊的基準電壓的+2. 5伏的正電壓和-2. 5伏的負電壓。本領域的技術人員將理解，替代電感性耦合到電力總線15，或者，電源21可被電容性耦合到電力總線。每個模塊12還包括計算單元20，在該實例中，以微處理器的形式實現計算單元 20。該計算單元20管理所述模塊12，并受中心控制單元11的控制。計算單元20由模塊12 的電源供電。計算單元20通過通信系統23與中心控制電路11通信。該通信系統23允許中心控制單元11向每個模塊12的計算單元20發送指令。該通信系統23還使得每個計算單元向中心控制單元11發送關于與其模塊相關聯的電池的狀態的信息。在該實例中，通信系統23包括通過光耦合器25而連接到通信總線15的轉接總線M。光耦合器使模塊12與該系統的剩余部分流電解耦。光耦合器25的數目由此隨通信協議的類型而變化，因而所公開的實例的SPI總線包括3個不同的線。總線的每個線由此包括一個光耦合器25。當然， 通信協議不限于SPI總線，可以設想使用任何其他協議，例如，1 協議。
圖3示出了計算單元20通過四個測量電路22而被連接到組13的四個電化學單元 3。在該實例中，每個測量電路22由與單元3關聯的差分放大器沈形成，如圖3所示。這些差分放大器26通過由電源21提供的電壓操作。放大器沈具有分別連接到各單元3的正極和負極的兩個輸入，如圖3所示。差分放大器沈被設置為形成減法器電路，所述減法器電路允許每個放大器測量單元3的陰極與陽極之間的電勢差。在該實例中，在每個組13 包括四個單元3的情況下，存在四個差分放大器26，S卩，每個單元3有一個放大器。如上所述，根據本發明，每個模塊12由此因具有其自身的電壓基準而被獨立構成。出于該目的，每個模塊12的地被連接到與其相關聯的組13的單元3之一的連接端子之一。應該明了，由于該特征，差分放大器26的輸入與其地之間的電勢差不超過幾伏。優選地，用作基準的連接點被取在形成組13的單元序列的中間。在該實例中，在組包括四個單元的情況下，基準電壓由此被取在第二與第三單元之間。還應明了，每模塊的單元的最大數目依賴于在地與其一個輸入之間的差分放大器沈所容忍的最大電勢差。由此，在最大容忍電勢差為8V且每個單元3產生1. 2V的最大值的情況下，單元3的最大數目為 12 ((6 XL 2V) = 7. 2V ；7. 2V < 8V)。差分放大器沈被設置為在其輸出處提供表示單元3的電極之間的電勢差的電壓。 計算單元20接收模塊12的跨過四個不同輸入由四個差分放大器沈提供的電壓。在該實例中，計算單元20是數字的而不是模擬的。在這些條件中，由計算單元20在輸入處接收的信號首先被數字化，然后將各電池3的數字化的電壓值通過通信裝置23而發送到中心控制單元11。單元3的每個組13具有若干個放大器沈的主要優點在于，可以迅速進行測量。實際上，于是可以同時使若干個電勢差數字化。如果計算單元20具有的模擬/數字轉換器的數目等于差分放大器26的數目，則可以改善該數字化同步。假定單元3被分為組13，每個組13同時(即，并行)進行電勢差測量。從而可以同時提取并數字化單元3的所有電勢差
測量值。相反，如果計算單元20僅具有一個模擬/數字轉換器，在同時提取所有電勢差，但各測量值要依次而不是同時轉換為數字值。計算單元20備選地以約20 μ s的時間差從每個差分放大器26選擇每個電勢差。因此，以約80 μ s進行四個單元3的組13的電勢差沈的整個設定。然而，將電化學單元3分割為組13限制了這些效果。這在理論上意味著，可以以約80 μ s進行所有單元3的所有電勢差測量。如上所述，一旦將電勢差值轉換為數字形式，這些值被發送到控制單元11。通過通信系統23和通信總線14連續地(即，一個單元3接一個單元3，逐個地)發送該數據。然后，控制單元使用該數據來管理燃料電池堆10。管理燃料電池堆的一個方面為停止燃料電池堆的操作。為了實現這一點，燃料電池堆10包括旁路電路，以通過降低單元3的端子處的電勢差而單獨地關閉每個單元3。該電勢差被減小到接近零的值，并保持在該值以在不損壞單元3的情況下關閉單元3。還可以在緊急情況采用這些旁路電路以隔離燃料電池堆10中的一個單元3。這些旁路電路在圖3中表示為27，圖4中示意性示出了旁路電路的示例性實施例。 現在參考圖4，所示出的旁路電路首先包括標示為30的雙極旁路晶體管ΝΡΝ(或根據極性的 PNP)，該雙極旁路晶體管與電阻器27串聯地連接在電池3的正極和負極之間。雙極旁路晶體管30的基極被連接到驅動晶體管31的對之間的連接點，該對驅動晶體管31被串聯連接并具有不同的極性。圖4還示出了，該對驅動晶體管31通過其基極而被連接到由加法器元件32形成的控制產生器，該加法器元件32包括被設置為從計算單元20 (圖幻接收基準信號的第一輸入。加法器元件32具有第二輸入，該第二輸入被連接到電壓測量電路22的放大器26的輸出。加法器元件32還具有第三輸入，該第三輸入被連接到比較器34的輸出和逆變器36的輸出。比較器電路34包括被連接到差分放大器33的輸出的第一輸入和被設置為接收預定基準電壓的第二輸入。差分放大器33具有兩個輸入，這兩個輸入被分別連接到與雙極晶體管30串聯連接的電阻器37的端子。除了比較器34的輸入之外，差分放大器 33的輸出還被連接到計算單元20 (圖幻的一個輸入。逆變器36的輸入被連接到第二比較器35的輸出。比較器35通過第一輸入而被連接到與該對驅動晶體管31串聯連接的電阻器38的端子之一。比較器35的另一輸入被設置為接收第二預定基準電壓。該實例的旁路電路基于有源負載原理操作。跨過NPN晶體管30的基極施加的電壓改變集電極電流。該電流和電壓變化產生阻抗變化，在本發明中使用該阻抗變化來控制流入旁路的電流的量。通過由以+2. 5伏電壓供電的晶體管31的對形成的組件來控制NPN 旁路晶體管30。這兩個晶體管用作充當有源負載的NPN晶體管與控制產生器32之間的中間物(intermediary)。如上所述，控制產生器32為加法器型差分放大器電路。該加法器電路進行對三個信號的求和。這些信號之一為由計算單元20產生的基準。該基準可以為脈寬調制或線性信號。加法器電路32中的第二輸入信號(incoming signal)為有源負載系統27和差分放大器沈所連接到的單元3的電勢差測量。測量電壓的該用途可以調節電化學單元3的堆的控制系統的關斷。加法器電路32中的第三輸入信號為安全信號。實際上，有源負載系統的用于降低電勢差的值的用途造成了電流變化。電阻性元件中的該電流變化會導致焦耳效應的變化， 由此導致所產生的熱的變化。因此，旁路系統包括限流器系統，該限流器系統作用于由計算單元提供的基準信號以限制流過有源負載的電流。該限流器系統包括兩個電流監視模塊。第一監視模塊用于監視旁路電流，而第二監視模塊用于監視流過驅動有源負載的串聯晶體管31的對的電流。第一模塊包括與NPN旁路晶體管30串聯連接的電阻器37。該電阻器用于電路測量電路33。實際上，電流測量電路33使用外部電阻器以測量該電阻器中的電流。然后，該電流值被轉換為表示將在輸出處被發送的電流的電勢差值。然后該表示電流的電勢差被發送到具有積分器功能的差分放大比較器電路34。該比較器電路使用預定基準電壓，該預定基準電壓為將不被超過的電流。如果該表示電流的電壓小于該基準電壓，比較器電路34 不導通，相反，如果該表示電流的電壓高于該基準電壓，比較器電路34導通。在導通的情況下，具有積分器功能的電路34執行其作用。由此，使用積分器功能來減慢系統，即，防止用于校正來自計算單元的基準信號的該表示電流的信號中的任何過量變化。該積分器功能被用于平滑校正電壓，并由此被用于平滑基準信號。第二模塊被用于監視流過用于驅動有源負載的兩個串聯驅動晶體管31的電流。 該模塊包括具有積分差分放大器的比較器電路35。該電路包括在2. 5伏電源與兩個驅動晶體管31中的第一個的集電極之間的電阻器38，該電阻器38與驅動NPN有源負載旁路電阻器30的兩個驅動晶體管31串聯連接。第二預定基準電壓和表示流過與兩個驅動晶體管串聯連接的電阻器38的電流的電壓被連接到差分放大器35的輸入。如果該表示電流的電壓小于該基準電壓，比較器電路不導通，相反，如果該表示電流的電壓高于該基準電壓，比較器電路導通。在導通的情況下，所產生的信號接著被發送到加法器電路36以允許考慮該信號來驅動有源負載。該第二模塊提供附加保護，因此是不可缺少的。然后，來自第一和第二模塊的輸出信號被相加并發送到加法器元件32以用于調整。例如，可以有利地將諸如肖特基二極管的二極管40設置在第一和第二監視模塊的輸出處。這些肖特基二極管40被反向連接并用于防止每個模塊的輸出信號干擾另一模塊。由此，不存在流過兩個模塊的電壓恢復(voltage restoration)。在第一變體中，可以提供溫度傳感器以增加系統保護。這些溫度傳感器可以位于包括這里給出的不同電路的各部件的板上或位于單元上。實際上，單元3的溫度測量或每個電池的溫度測量允許被設定用于燃料電池堆10的停止協議。每個單元3的溫度傳感器可以被連接到與該單元3關聯的計算單元。因此，由于每個控制單元管理其自身的單元，每個計算單元20可以更簡單地直接提取溫度數據以盡可能迅速地運作。該反應可以用于停止所關注的單元3或總體地停止系統。應明了，可以在不背離由所附權利要求限定的本發明的范圍的情況下，對上述本發明的各種實施例進行對本領域的技術人員而言顯而易見的各種改變和/或改善和/或組合。例如，根據本發明的旁路系統可被應用于包括多個電化學電池的電池組系統。
權利要求
1.一種用于串聯連接的電化學單元(3)的堆的旁路系統(10)，其中所述系統包括旁路電路(27)，每個旁路電路、2Τ)被連接在電化學單元的正極和負極之間；以及控制電路(11)，其被設置為向所述旁路電路中的至少一個發送控制信號，以使該旁路電路將該旁路電路所連接到的電極之間的所述電化學單元旁路，所述旁路系統包括控制模塊(12)，每個控制模塊(1 具有其自身的電壓基準，每個所述旁路電路屬于所述模塊(1 中的一個，每個控制模塊(1 包括若干個旁路電路(27)，并且屬于一個控制模塊(1 的旁路電路被連接在鄰接的電化學單元C3)的電極之間，以便所述控制模塊(1 將所述堆細分為電化學單元的若干個組(13)，每個控制模塊(1 包括用于與所述控制電路(11)通信的裝置0；3)，以便所述控制電路能夠控制屬于不同控制模塊的所述旁路電路，該系統(10)的特征在于，每個所述旁路電路、2Τ)與用于測量該旁路電路所連接到的電化學單元⑶的電極之間的電勢差的電壓測量裝置02)關聯，特征在于，每個控制模塊 (12)包括被設置為從所述控制電路接收信號的計算單元(20)，且特征在于，所述旁路裝置具有可變阻抗，所述計算單元00)根據從所述控制電路(11)接收的信號和與所述旁路裝置分別關聯的單元的電極之間的電勢差而控制所述可變阻抗。
2.根據權利要求1的系統，其特征在于，所述旁路電路包括用于測量所述旁路中的電流密度的第一器件(34)，以便所述計算單元00)考慮所述電流密度以控制所述旁路電路 (27)的阻抗。
3.根據權利要求1或2的系統，其特征在于，所述旁路電路(XT)包括被連接在每個單元(3)的端子之間的至少一個旁路晶體管(30)。
4.根據權利要求3的系統，其特征在于，所述至少一個旁路晶體管(30)由串聯連接的且受到所述計算單元00)控制的至少兩個驅動晶體管(31)驅動。
5.根據權利要求4的系統，其特征在于，通過用于測量電流密度的第二器件(35)監視來自所述至少兩個驅動晶體管(31)的電流，以便所述計算單元00)考慮所述晶體管(31) 中的所述電流密度以控制所述旁路電路。
6.根據權利要求1到5中任一項的系統，其特征在于，所述測量裝置02)被連接到所述計算單元OO)以將所提取的電勢差轉變為數字值。
7.根據上述權利要求中任一項的系統，其特征在于，所述通信裝置03)包括流電隔離裝置(25)。
8.根據上述權利要求中任一項的系統，其特征在于，所述測量裝置0 包括多個差分放大器(26)，每個差分放大器06)被設置為通過兩個輸入而連接到電化學單元的端子，以在輸出處提供表示在所述電化學單元的端子之間存在的電勢差的電壓。
9.根據權利要求8的系統，其特征在于，每個差分放大器06)測量在兩個電化學電池的端子之間的電壓差。
10.根據上述權利要求中任一項的系統，其特征在于，每個控制模塊(1 還包括其特有的電力系統01)，以使得即使在用于控制電化學單元(3)的堆的系統沒有正在操作時所述模塊也能夠操作。
11.根據權利要求8到10中任一項的系統，其特征在于，所述差分放大器06)具有最大輸入電壓，且特征在于，在電化學單元的每個組(1 中，各單元之間的電勢差的相加不超過所述最大電壓。
12.根據上述權利要求中任一項的系統，其特征在于，電化學單元的每個組(13)包括四個電化學單元。
13.根據權利要求12的系統，其特征在于，每個電化學單元包括燃料電池。
14.根據權利要求12的系統，其特征在于，每個電化學單元包括兩個燃料電池。
15.根據權利要求1到11中任一項的系統，其特征在于，電化學單元的每個組(13)包括八個電化學單元。
16.根據權利要求15的系統，其特征在于，每個電化學單元包括燃料電池。
全文摘要
本發明涉及使串聯連接的電化學塊(3)的堆旁路的系統(10)。系統包括旁路電路(27)，每個旁路電路連接在電化學塊的正極和負極之間。系統(10)還包括控制電路(11)，其被設置為向旁路電路中的至少一個發送控制信號以確保旁路電路將該電路所連接到的電化學塊在塊的電極之間旁路。控制系統包括控制模塊(12)，每個控制模塊具有其自身的電壓基準，其中每個旁路電路屬于模塊之一。每個控制模塊包括多個旁路電路，屬于一個控制模塊的旁路電路被連接在鄰接的電化學塊的電極之間，以控制模塊將堆細分為電化學塊的幾個組(13)。系統的特征還在于，每個控制模塊包括用于與控制電路通信的裝置(23)，以便控制電路可控制屬于單獨控制模塊的旁路電路。
文檔編號H01M8/04GK102460805SQ201080028711
公開日2012年5月16日 申請日期2010年5月26日 優先權日2009年5月27日
發明者A·托特 申請人:巴萊諾斯清潔能源控股公司