存在大的不良信号时测量燃料电池高频电阻的方法和装置

摘要

本发明涉及存在大的不良信号时测量燃料电池高频电阻的方法和装置。一种用于具有合理动态范围的高频电阻测量仪器的方法和装置，即使存在大的不良信号下时信号链饱和，其也能够使用具有不同频率的多个交变电流保持测量能力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统内部运行参数测量的方法。更具体地讲，本发明涉及一种用于测量燃料电池高频电阻的方法和装置。

背景技术

高频电阻是众所周知的且被广泛记录的燃料电池特性。通过测量特定激励电流频带内的燃料电池高频电阻，能够测量质子交换膜的湿润状态。一般在500Hz到1500Hz之间的单个频率下测量燃料电池质子交换膜中的高频电阻。

用于测量高频电阻的传统方法开始于首先贯穿燃料电池或电池组引入具有所关注的频率(一般是1000Hz)的交变电流。接下来，仪器测量流过燃料电池或电池组的真实电流波纹和通过注入的交变电流在电池或电池组上感应的电压波纹。通过该仪器过滤和放大这些信号。随后通过将电压波纹波形的幅值除以电流波纹波形的幅值确定该高频电阻。根据欧姆定律，得到的值是电阻，其还可能通过电池组中的电池的数目或燃料电池膜的活性面积进行换算，以产生膜的单位面积电阻。

在有噪声的电气环境中，例如电驱动车辆中的高压配电系统的环境中，除引入的波纹电流和得到的波纹电压之外还可能存在其它的大交变电流波纹。这些大的不良信号可能持久地在单个频率上存在，或者它们可能具有取决于车辆速度、发动机负荷或其它因素的可变频率成分。

对于传统的单频率高频电阻测量的系统，这种大的不良信号(undesiredsignal)的存在是有问题的。例如，如果引入的波纹电流大约是0.3A，而具有相同频率的大的不良信号是100A，则必须实现具有大于70db的动态范围的电路以防止信号链的饱和。

期望地是制造具有合理动态范围的高频电阻测量仪器，其对于存在一个或多个大的不良信号时的饱和起抵御作用。还期望地是制造一种高频电阻仪器，其能够在引入多个具有不同频率的AC电流的情况下使用，即使在存在大的不良信号时信号链饱和，也能够保持测量能力。

发明内容

根据本发明，令人惊讶地发现了一种具有合理动态范围的高频电阻测量仪器，其能够使用具有不同频率的多个交变电流，从而即使在存在大的不良信号时信号链饱和，也能够保持测量能力。

在一实施例中，用于测量燃料电池系统中的高频电阻的方法包括提供燃料电池组的步骤，提供微控制器的步骤，将至少一激励信号感应到燃料电池组中的步骤，使用该微控制器确定燃料电池组中不良信号存在的步骤，和确定在可接受的不良的信号水平下，在各频率上与该激励信号有关的高频电阻的步骤。

在另一个实施例中，用于测量燃料电池系统中高频电阻的方法包括提供燃料电池组的步骤，提供微控制器的步骤，提供多个通道的步骤，其中通道的总数比预期不良的信号总数至少大一，在分离的固定频率上调谐每个通道的步骤，确定状态数目的步骤，在每个状态过程中指定至少一通道为非活动通道和剩余通道作为活动通道的步骤，在每个状态期间在活动通道的频率下将至少一激励信号感应到燃料电池组中的步骤，使用该微控制器取样所述通道的输出的步骤，评价该输出有效性的步骤，计算燃料电池系统高频电阻值的步骤，和输出该高频电阻值的步骤。

在另一个实施例中，用于测量燃料电池系统中高频电阻的装置包括微控制器、与该微控制器电相连的至少一个通道和与每个通道电相连的频率调谐装置。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例用于测量燃料电池高频电阻的装置的示意图；

图2是说明控制图1的用于测量燃料电池高频电阻的装置的方法的流程图；

图3示出了在车辆运行过程中显示噪声最低限度v.频率曲线并且说明了在车辆运行过程中的波纹噪声；

图4是根据本发明另一个实施例说明用于控制燃料电池高频电阻测量装置的方法的流程图；

图5是说明图4的用于控制燃料电池高频电阻测量装置的方法的子程序的流程图；

图6是显示本发明第三实施例的车辆运行过程中噪声最低限度v.频率曲线并且说明在车辆运行过程中的波纹噪声；和

图7是说明根据本发明第三实施例的用于控制燃料电池高频电阻测量装置的方法的最高级流程图，程序流将尽可能接近中心频率测量HFR列入优先；

具体实施方式

下列详细说明和附图描述说明了本发明的各种典型实施例。该描述和附图使本领域技术人员能够制造和使用本发明，且并没有打算以任一方式限制本发明的范围。就本发明公开的而言，此处的步骤实质上是示范性的，因此步骤的顺序不是必需的或关键的。

图1显示燃料电池组10，该燃料电池组10由多个独立的燃料电池组成，这些燃料电池是串联和/或并联电连接的。各种类型的燃料电池系统的操作在本领域中通常是已知的；一实施例能够在共同拥有的U.S.专利No 6,849,352中找到；因此在这里结合参考其全部内容。因此，在描述中将仅仅解释与本发明有关的燃料电池系统的运行。

这里显示的实施例中，高频电阻测量系统包含总数为(N+1)个的高频测量通道55。这里N是设计者期望遇见的单独的不良信号的数目。在图1中，假定N为2，当然可以理解的是可以存在更多或更少的信号。每个高频测量通道55包含单独的电流信号链42和电压信号链64。另外，在不脱离本发明范围的情况下提供的通道的数目可以不同。

AC电流传感器(sensor)11包括与燃料电池组10连接的电流换能器(transducer)12。放大器16通过电接线14与电流换能器12连接。电接线可以是例如绝缘线的任何传统电连接装置。载波阻滤波器20通过电接线18与放大器16相连。

该载波阻滤波器20通过电接线22与公共饱和检测电路84中的峰值检测器88相连。

该载波阻滤波器20通过电接线22与第一积分滤波器24、第二积分滤波器26和第三积分滤波器28相连。在第一高频电阻测量通道57中第一积分滤波器24通过电接线25与第一积分电路30相连。在第二高频电阻测量通道59中第二积分滤波器26通过电接线27与积分电路32相连。在第三高频电阻测量通道53中该第三积分滤波器28通过电接线29与积分电路34相连。该积分滤波器24、26和28的调谐频率与高频测量通道53、59和57中的那些匹配。

在第一高频电阻测量通道57的电流信号链42中滤波器44通过电接线36与积分电路30相连。电接线45将滤波器44连接到检测电路50上。在第二高频电阻测量通道59的电流信号链42中积分电路32通过电接线38与滤波器46相连。检测电路52通过电接线47与该滤波器46相连。在第三高频电阻测量通道53的电流信号链42中积分电路34通过电接线40与滤波器48相连。电接线49将滤波器48连接到检测电路54上。

摸拟数字转换器106通过电接线94与检测电路50相连。检测电路52通过电接线96与摸拟数字转换器106电相连。检测电路54通过电接线98与模拟数字转换器106相连。该摸拟数字转换器106包含在微控制器108中。

该燃料电池组10电连接到安全隔离屏障电路(safety isolation barrier circuit)56上。该安全隔离屏障电路56通过电接线58与载波阻滤波器60电连接。该载波阻滤波器60通过电接线62与常规饱和检测电路84中的峰值检测器86相连。该检测器86和88分别通过电接线90和92与转换器106相连。

该载波阻滤波器60与第一高频电阻测量通道57的电压信号链64中的滤波器66相连。该载波阻滤波器60与第二高频电阻测量通道59的电压信号链64中的滤波器68相连。该载波阻滤波器60与第三高频电阻测量通道53的电压信号链64中的滤波器70相连。

电接线72将滤波器66连接到检测电路78上。该滤波器68通过电接线74与检测电路80相连。电接线76将滤波器70连接到检测电路82上。

该检测电路78、80和82分别通过电接线104、102和100与摸拟数字转换器106相连。

在运行中，该燃料电池组10以本领域公知的方式产生电流和电压。将包含波纹电流和导致波纹电压的激励信号感应到燃料电池组10中。使用燃料电池组10端部电池加热器(未示出)产生该激励信号。使用脉宽调制来调节端部电池加热器的输出。通过控制脉宽调制的载波频率来改变波纹电流的频率。另外，在不脱离本发明范围的情况下可以使用感应该激励信号的其它源。

该交变电流传感器11通过该电流换能器12测量流过燃料电池组10的交变电流。该电流换能器12将电流幅值转化为电压信号，该电压信号与通过燃料电池组10的电流成比例。通过放大器16放大该电压信号和通过载波阻滤波器20过滤该电压信号。

一些电流换能器12需要积分电路13，在存在大的不良信号时其可能饱和。因此，对于每个高频测量通道55，该交变电流传感器积分器11可以包括单独的积分滤波器24、26、28。调谐积分滤波器24、26、28使其频率与各个高频测量通道55的频率匹配。

该高频测量通道55包括调谐到相应频率的在电流信号链42上的滤波器44、46、48和在电压信号链64上的滤波器66、68、70。调谐每个高频测量通道55关注的频率以避免已知的固定频率不良信号。该滤波器44、46、48、66、68、70限制每个独立电压信号链64和电流信号链42暴露于附近的大的不良信号，同时允许调谐频率与大的不良信号的频率相符的高频测量通道55饱和。当存在大的不良信号且导致一个高频测量通道55饱和时，相邻高频测量通道55上的滤波器充分地衰减不良的信号，使得所感应的波纹电流可以无饱和地恢复。另外，可以理解的是在不脱离本发明范围的情况下，能够使用本领域已知的各种类型的频率调谐装置

该电流信号链42接收来自交变电流传感器11的电压信号且是高频测量通道55的电流测量调节部分。该电流信号链42通过检测电路50、52、54测量具有由滤波器44、46、48调谐的预定频率的电流。该电流信号链42也调节作为到微控制器108的输出信号的测量。

如果产生于燃料电池组10上的电压对于人或连接装备足够危险，则该安全隔离屏障电路56用于该高频测量装置中。该安全隔离屏障电路56在该系统的高电压部分和低电压部分之间提供电绝缘。该载波阻滤波器60从通过安全隔离屏障电路56从燃料电池组10接收的电压中过滤关注的频率。

该电压信号链64接收来自载波阻滤波器60的电压信号且是高频测量通道55的电压测量和调节部分。该电压信号链64通过检测电路78、80、82测量具有由滤波器66、68、70调谐的预定频率的电压。该电压信号链也调节作为输出信号的测量。

现在参考图2，该微控制器108用作状态机以增加最准确高频测量值的选择。该微控制器108连续地取样该电压信号链64和该电流信号链42的每个高频测量通道55的输出。实现的状态数目取决于高频测量通道55的总数和能够同时被激励的高频测量通道55的总数。

在每个状态120、128、134中，以除了一个高频测量通道55的频率之外所有高频测量通道55的频率将激励信号注入到燃料电池组10中。将其中激励了电流波纹的高频测量通道55被指定活动通道，另一个通道指定为非活动通道。

该微控制器108评估每个活动通道上的每个电压和电流波纹测量的有效性，以确定大的不良信号是否导致高频测量通道传感器在步骤122、130和138饱和。如果该微控制器108未检测到饱和，则在步骤124、132和140计算高频测量通道的高频测量值，并且该微控制器在步骤126、136和142中选择最佳的测量作为电信号输出。该微控制器也检查未激励通道来查看没有故意激励的情况下是否有任何电压或电流。在具有较少未激励波纹的通道上进行的测量被认为在随后状态进行的测量中更有效。表现出饱和或高水平未激励波纹的高频测量通道被认为在随后状态中有效性较低。取决于有效性算法，在每个状态中该微控制器108可以输出单个或多个高频测量。该微控制器108也输出频率，在该频率进行高频输出测量。该微控制器108在循环通过所有状态144之后回到第一状态120。

在另一个实施例中，使用至少一个高频测量通道55来实现该高频测量装置。该微控制器108连续地扫描通过如图3所示的预定的测量范围151，以找到期望的频率153。如图5所示，该微控制器108从输入(Enter)166扫描，在168是第一测量通道，直到发现这样的频率170，在该频率未激励波纹水平最小且不存在饱和的不良的信号。如果该微控制器108扫描所有的测量却没有找到最小值(172处的Y)，则其在174处分支且返回无效信号180。如果该微控制器108未扫描所有测量而没有找到最小值(172处的N)，其在176分支且随后在178返回最小值。在图4中，从开始(Start)150，在步骤152中运行图5的子程序，在步骤154中设置高频电阻激发为期望频率153，其通过在178返回最小值来确定。在156在期望频率153上该微控制器108测量一个测量通道的高频电阻。微控制器108能够使用第一高频测量通道或第二高频测量通道在期望频率153上测量高频电阻。在步骤158中运行图5的子程序，在160比较当前频率与最好的频率。如果当前频率是最好的频率(160处Y)，该方法在162分支到步骤156，如果不是(160处N)则在164转到步骤154。

在另一个实施例中，如图6所示，使用位于预定测定范围192中的中心频率190的单个高频测量通道55来实现该高频测量装置。在图7中在步骤194该微控制器108在中心频率190测量噪声。如果噪声水平低于饱和(196处Y)，在步骤198中该微控制器108在中心频率190测量高频电阻。

如果中心频率的噪声不在饱和水平以下(196处的N)，该微控制器108将高频测量通道55的频率调制中心频率190以上和以下同等的调制距离Δ。在步骤202中在最小值处设置调制距离，该微控制器108在204测量中心频率190加上和减去调制距离Δ处的噪声。当该调制距离不在最大值时(208处的N)，在步骤206中该微控制器增加调制距离Δ。如果该调制距离是最大值，则该系统在步骤216中报错且在步骤218中重新开始。

当噪声低于饱和时(210处Y)，在步骤212中该高频测量装置感应激励信号并且测量调制频率下的高频电阻，且随后在214重新开始。步骤200仅仅在测量过程中激活该激励。

从上面的描述，本领域普通技术人员在不脱离本发明精神和范围的情况下能够容易地确定本发明的特征且能够对本发明做出各种变化和改进以适应各种使用环境和条件。