專利名稱：用于收集和傳輸燃料電池堆中的測量數(shù)據(jù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池堆的監(jiān)測系統(tǒng)，更具體地，涉及一種用于燃料電池堆的監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)使用聚集裝置來收集表示電池堆中的每個燃料電池或燃料電池組的測量參數(shù)的光信號。
背景技術(shù)：
氫之所以是一種很受歡迎的燃料，是因為它清潔并且能夠用于在燃料電池中有效地產(chǎn)生電能。氫燃料電池是包括陽極和陰極并在其之間具有電解質(zhì)的電化學(xué)裝置。陽極接收氫氣，陰極接收氧氣或空氣。在陽極側(cè)的催化劑中離解氫氣以產(chǎn)生自由質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極。質(zhì)子在陰極側(cè)的催化劑中與氧氣和電子進(jìn)行反應(yīng)從而產(chǎn)生水。來自陽極的電子不能穿過電解質(zhì)，從而在送至陰極前被引導(dǎo)通過負(fù)載來做功。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是廣受歡迎的用于車輛的燃料電池。該PEMFC通常包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，如全氟磺酸膜。陽極和陰極電極(催化劑層)通常包括支撐于碳顆粒上并與離子聚合物混合的細(xì)分催化顆粒，通常為鉬(Pt)。該催化混合物沉積在膜的相對側(cè)上。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。 每個MEA通常夾在兩片多孔材料之間，氣體擴(kuò)散層(GDL)保護(hù)了膜的機(jī)械完整性并且有助于使反應(yīng)物和濕度均勻地分布。MEA中分開陽極和陰極流的部分被稱為有源區(qū)，且水蒸氣只有在這個區(qū)域才能夠在陽極和陰極之間進(jìn)行自由地交換。MEA的制造相當(dāng)昂貴且為了使其有效工作要求一定的濕度條件。通常地是將若干燃料電池組合成每個燃料電池堆以產(chǎn)生所需的能量。例如，用于車輛的典型的燃料電池堆可具有兩百或更多的堆疊的燃料電池。該燃料電池堆接收陰極輸入反應(yīng)氣體，通常為被壓縮器迫使穿過電池堆的空氣流。并非所有的氧氣都被電池堆消耗， 一部分空氣作為陰極廢氣排出，廢氣中可以含有作為反應(yīng)副產(chǎn)物的水。燃料電池堆還接收流入電池堆陽極側(cè)的陽極氫氣反應(yīng)氣體。電池堆還包括冷卻流體流過的流動通道。燃料電池堆包括一系列雙極板(隔板)，該雙極板位于電池堆中的若干MEA之間， 其中雙極板和MEA位于兩個端板之間。雙極板包括用于電池堆中相鄰燃料電池的陽極側(cè)和陰極側(cè)流動分配器(流場)。在雙極板的陽極側(cè)上設(shè)置陽極氣體流動通道，使陽極反應(yīng)氣體流至相應(yīng)的MEA。在雙極板的陰極側(cè)設(shè)置陰極氣體流動通道，使陰極反應(yīng)氣體流至相應(yīng)的 MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，且另一個端板包括陰極氣體流動通道。該雙極板和端板用導(dǎo)電材料制成，如不銹鋼或?qū)щ姾铣刹牧?。在堆疊完成后，這些部件通常置于壓力下以最小化電接觸阻力并封閉密封件。端板從電池堆中導(dǎo)出燃料電池產(chǎn)生的電能。雙極板還包括冷卻流體所流過的流動通道。高頻電阻(HFR)是燃料電池公知的屬性，且和燃料電池膜的歐姆電阻或膜質(zhì)子電阻緊密相關(guān)。歐姆電阻本身是燃料電池膜濕度的函數(shù)。因此，通過在激勵電流頻率的特定頻帶內(nèi)測量燃料電池堆的燃料電池膜的HFR，可確定燃料電池膜的濕度。這種HFR的測量允許單獨測量燃料電池膜的濕度，從而消除對RH傳感器的需求。
通常地，對燃料電池堆中的每個燃料電池的電壓輸出和可能的高頻電阻(HFR)進(jìn)行監(jiān)測，使得系統(tǒng)知道燃料電池電壓或燃料電池HFR是否超出所希望的范圍，從而指示可能出現(xiàn)故障。如在本領(lǐng)域中應(yīng)理解的，由于所有的燃料電池是串聯(lián)地電耦合的，如果電池堆中的一個燃料電池出現(xiàn)故障，則整個電池堆都會出現(xiàn)故障。作為臨時解決方案，對出現(xiàn)故障的燃料電池采取一定的補救措施，直到該燃料電池車輛得以維修。這種補救措施包括增加氫氣流和/或增加陰極化學(xué)計量。通常通過監(jiān)測子系統(tǒng)來測量燃料電池電壓和燃料電池的HFR，該子系統(tǒng)包括與電池堆中的每個雙極板和電池堆中的端板連接的導(dǎo)線。因此，400電池堆包括與電池堆連接的401個導(dǎo)線。由于零件的尺寸、零件的公差、零件的數(shù)量等原因，為使用如此多的燃料電池將電池堆中的每個雙極板提供物理連接是不現(xiàn)實的。因此，本領(lǐng)域中需要一種無需用導(dǎo)線連接每個雙極板，就能測量電池電壓和HFR的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開了一種從燃料電池堆中的每個燃料電池或燃料電池組傳輸測量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。該電池堆包括多個疊置板，其中在每個燃料電池之間以及在電池堆的每個端部上有一個疊置板。該系統(tǒng)包括多個嵌入智能板，其中每個嵌入智能板與多個疊置板中的至少一個機(jī)電耦合，并且其中每個嵌入智能板包括位于智能板的頂側(cè)和底側(cè)上的光收發(fā)器。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括至少一個聚合器裝置，該聚合器裝置具有至少一個光收發(fā)器以在嵌入智能板之間開始一系列通信，從而確定通過每個智能板收集的位置和數(shù)據(jù)。本發(fā)明提供以下技術(shù)方案技術(shù)方案1 一種系統(tǒng)，用于傳輸來自燃料電池堆中的燃料電池的測量數(shù)據(jù)，所述系統(tǒng)包括多個燃料電池，每個燃料電池產(chǎn)生電勢；多個疊置板，其包括在每個燃料電池之間和在所述燃料電池堆的每個端部上的一個疊置板，以收集所述燃料電池產(chǎn)生的電勢；多個嵌入智能板，每個嵌入智能板與所述燃料電池堆中的所述多個疊置板的至少一個機(jī)電耦合，每個嵌入智能板包括位于所述智能板的頂側(cè)和底側(cè)上的光收發(fā)器，每個嵌入智能板通過來自所述燃料電池的所述電勢從所述燃料電池堆接收操作功率，所述燃料電池與和所述嵌入智能板耦合的所述疊置板相鄰；以及至少一個聚合器裝置，所述至少一個聚合器裝置包括至少一個光收發(fā)器，用來與和所述至少一個聚合器裝置相鄰的所述嵌入智能板開始通信，其中所述聚合器裝置與所述嵌入智能板開始通信，以在所述電池堆中的所述該嵌入智能板之間開始一系列通信，從而確定通過所述電池堆中的每個嵌入智能板所收集的位置和測量數(shù)據(jù)。技術(shù)方案2 如技術(shù)方案1所述的系統(tǒng)，其中位于每個嵌入智能板和位于所述至少一個聚合器裝置上的所述光收發(fā)器中的每一個包括光發(fā)射器和光接收器。技術(shù)方案3 如技術(shù)方案2所述的系統(tǒng)，其中位于每個嵌入智能板和位于所述至少一個聚合器裝置上的所述光收發(fā)器與位于相鄰的嵌入智能板和/或所述聚合器裝置上的所述光接收器對準(zhǔn)。技術(shù)方案4 如技術(shù)方案1所述的系統(tǒng)，其中每個嵌入智能板進(jìn)一步包括附加的光收發(fā)器以旁路運行不正常的嵌入智能板。
技術(shù)方案5 如技術(shù)方案1所述的系統(tǒng)，其中每個嵌入智能板的所述光收發(fā)器具有不同的譜發(fā)射和響應(yīng)。技術(shù)方案6 如技術(shù)方案1所述的系統(tǒng)，其中所述電池堆中的每個燃料電池的位置、測量的電池電壓和/或高頻電阻通過所述嵌入智能板被傳輸給所述聚合器裝置。技術(shù)方案7 如技術(shù)方案1所述的系統(tǒng)，其中每個嵌入智能板包括嵌入智能板印刷電路板，所述嵌入智能板印刷電路板具有低輸入電壓DC-DC轉(zhuǎn)換器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、微處理器和電壓基準(zhǔn)。技術(shù)方案8 —種系統(tǒng)，用于傳輸來自燃料電池堆中的燃料電池的測量數(shù)據(jù)，所述系統(tǒng)包括多個燃料電池；多個疊置板，包括在每個燃料電池之間和所述電池堆的每個端部上的一個疊置板；多個嵌入智能板，每個嵌入智能板與所述燃料電池堆中的所述多個疊置板中的至少一個機(jī)電耦合，且每個嵌入智能板包括嵌入智能板印刷電路板和位于所述智能板的頂側(cè)和底側(cè)上的光收發(fā)器；至少一個聚合器裝置，所述至少一個聚合器裝置包括至少一個光收發(fā)器，用來與和所述至少一個聚合器裝置相鄰的嵌所述入智能板開始通信；以及控制器，其構(gòu)造成控制所述聚合器裝置，其中所述控制器請求所述聚合器裝置與和所述至少一個聚合器裝置相鄰的所述嵌入智能板進(jìn)行通信，以在所述電池堆中的所述嵌入智能板之間開始一系列通信，從而確定所述電池堆中的每個智能板所收集的位置和測量數(shù)據(jù)。技術(shù)方案9 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中位于每個嵌入智能板和所述至少一個聚合器裝置上的所述光收發(fā)器中的每個包括光發(fā)射器和光接收器。技術(shù)方案10 如技術(shù)方案9所述的系統(tǒng)，其中位于每個嵌入智能板上的所述光收發(fā)器與位于相鄰的嵌入智能板和/或所述聚合器裝置上的光接收器對準(zhǔn)。技術(shù)方案11 如技術(shù)方案8所述的系統(tǒng)，其中所述嵌入智能板以柱狀排列方式嵌入在所述燃料電池堆中。技術(shù)方案12 如技術(shù)方案8所述的系統(tǒng)，其中位于每個嵌入智能板上的所述光收發(fā)器具有不同的譜發(fā)射和響應(yīng)。技術(shù)方案13 如技術(shù)方案8所述的系統(tǒng)，其中所述位置和測量值，如所述電池堆中的每個燃料電池的電池電壓、高頻電阻和/或溫度，通過所述嵌入智能板經(jīng)由所述光收發(fā)器被傳輸給所述聚合器裝置。技術(shù)方案14 如技術(shù)方案8所述的系統(tǒng)，其中每個嵌入智能板印刷電路板包括低輸入電壓DC-DC轉(zhuǎn)換器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、微處理器和電壓基準(zhǔn)。技術(shù)方案15 如技術(shù)方案8到達(dá)的系統(tǒng)，其中所述聚合器裝置從蓄電池接收其操作功率。技術(shù)方案16 —種系統(tǒng)，用于傳輸來自燃料電池堆中的燃料電池的測量數(shù)據(jù)，所述系統(tǒng)包括多個燃料電池；
多個疊置板，其包括在每個燃料電池之間和所述燃料電池堆的每個端部上的一個
疊置板；多個嵌入智能板，每個嵌入智能板通過至少一個連接器與所述燃料電池堆中的多個疊置板機(jī)電耦合，每個嵌入智能板包括位于每個嵌入智能板的頂側(cè)和底側(cè)上的光收發(fā)器；以及至少一個聚合器裝置，所述至少一個聚合器裝置包括至少一個光收發(fā)器，以與所述嵌入智能板開始通信，從而在嵌入智能板和至少一個聚合器裝置之間開始一系列通信， 以確定所述電池堆中的每個智能板所收集的位置和測量數(shù)據(jù)。技術(shù)方案17 如技術(shù)方案16所述的系統(tǒng)，其中位于每個嵌入智能板和所述至少一個聚合器裝置上的每個光收發(fā)器包括光發(fā)射器和光接收器。技術(shù)方案18 如技術(shù)方案16所述的系統(tǒng)，其中位于每個嵌入智能板上的光收發(fā)器與位于相鄰嵌入智能板和/或所述相鄰的聚合器裝置上的光接收器對準(zhǔn)。技術(shù)方案19 如技術(shù)方案16所述的系統(tǒng)，其中所述位置和測量值，例如所述電池堆中的每個燃料電池的電池電壓、高頻電阻和/或溫度，通過所述嵌入智能板經(jīng)由所述光收發(fā)器被傳輸給所述聚合器裝置。技術(shù)方案20 如技術(shù)方案16所述的系統(tǒng)，其中每個嵌入智能板包括嵌入智能板印刷電路板，所述嵌入智能板印刷電路板具有低輸入電壓DC-DC轉(zhuǎn)換器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、 微處理器和電壓基準(zhǔn)。結(jié)合附圖從以下描述和所附的權(quán)利要求能清楚滴理解本發(fā)明的附加特征。


圖1是包括具有多個燃料電池和嵌入智能板的燃料電池堆的燃料電池系統(tǒng)的平面圖；圖2是圖1所示的嵌入智能板中的一個的簡化方框圖；圖3是聚合器裝置如何開始通信以及如何確定圖1所示的每個智能板所收集的位置和數(shù)據(jù)的流程圖；以及圖4是燃料電池系統(tǒng)的平面圖，所述燃料電池系統(tǒng)具有多個燃料電池、嵌入智能板和兩個聚合器裝置，用于為電池堆中的智能板收集位置和測量數(shù)據(jù)。
具體實施例方式關(guān)于本發(fā)明實施例的以下討論實質(zhì)上僅僅是示范性的，并不旨在對本發(fā)明或其應(yīng)用或使用進(jìn)行限制，其中本發(fā)明涉及一種利用聚合器裝置來監(jiān)測燃料電池堆中的每個燃料電池或燃料電池組的測量參數(shù)的系統(tǒng)和方法。圖1是系統(tǒng)10的平面圖，系統(tǒng)10包括具有多個燃料電池14的燃料電池堆12。盡管為了清楚起見沒有示出，但本領(lǐng)域技術(shù)人員能容易地理解，每個燃料電池14包括燃料電池膜、陽極側(cè)擴(kuò)散介質(zhì)層和陰極側(cè)擴(kuò)散介質(zhì)層。疊置板20也是該系統(tǒng)10的一部分，如在每個燃料電池14之間的雙極板和在電池堆12的每個端部上的單極板，其中，疊置板20的面對陽極側(cè)擴(kuò)散介質(zhì)層的側(cè)面包括陽極側(cè)反應(yīng)氣體流動通道(未圖示)，疊置板20的面對相鄰燃料電池14的側(cè)面包括陰極反應(yīng)氣體流動通道(未圖示)。此外，該疊置板20包括冷卻流體流動通道(未圖示)。在借助電池堆中的燃料電池的拓?fù)浜蛶缀谓Y(jié)構(gòu)而進(jìn)行連續(xù)測量的燃料電池堆中， 為了對電池堆的操作進(jìn)行控制而需要測量某些參數(shù)。這些參數(shù)可包括單個電池或電池組上的電勢、電池堆中某些點處的溫度、或者可以通過電信號或數(shù)值(如高頻電阻(HFR))來表示的其他任意可量化參數(shù)。根據(jù)本發(fā)明，測量值，如每個燃料電池14或燃料電池14的組的電壓或HFR，通過嵌入智能板(ESP) 30來進(jìn)行測量。每個ESP30包括下面詳細(xì)描述的ESP印刷電路板32和用于將ESP印刷電路板32與其中一個疊置板20相連的至少一個連接器28。這樣，ESP30在電池堆中布置成與柱狀排列的電池堆12類似并可能嵌入電池堆12中，使得電池堆12中的每個ESP印刷電路板32直接位于與其相鄰的的每個印刷電路板32的上面或下面。當(dāng)嵌入ESP30時，和/或ESP30由電池堆12中的電池14供電時，與這些ESP30進(jìn)行通信同時需要在ESP30和控制裝置(例如聚合器裝置40 (以下討論))之間保持電絕緣， 因為燃料電池堆12的操作會在電池堆12和聚合器裝置40之間產(chǎn)生大的共模電勢。為了保持必要的電絕緣，本發(fā)明使用了聚合器裝置40。與聚合器裝置40相鄰的ESP30是通信的起始點。聚合器裝置40置于燃料電池堆12中的某個位置，通常在一端，以請求并協(xié)調(diào)電池堆12中的每個燃料電池14或燃料電池14組的位置和測量值。每個ESP30都機(jī)電連接至疊置板20中的至少一個，從而允許ESP印刷電路板32對應(yīng)于與印刷電路板32連接的疊置板20，從燃料電池14或燃料電池14組接收寄生操作功率并測量各種測量值，諸如燃料電池14或燃料電池14組的電壓。系統(tǒng)10示出了 ESP30與燃料電池堆12中的每隔一個疊置板20連接，從而要求每個ESP30測量例如電池堆12中的兩個燃料電池14的電壓。在替代實施例中，使用各種互連裝置，每個ESP30可與五個連續(xù)的疊置板20電耦合，從而可以由單個ESP30確定四個燃料電池14的測量值。每個ESP印刷電路板32還包括安裝在該電路板32的幾何頂面和底面上的光收發(fā)器34。通過可在ESP30 之間傳輸?shù)恼{(diào)制信號使用光收發(fā)器34來發(fā)送和接收信息，詳細(xì)描述如下。作為該ESP印刷電路板32的變形，聚合器裝置40從蓄電池42而不是從燃料電池 14接收其操作功率，從而在ESP30和聚合器裝置40之間保持電流隔離而不必使用昂貴的電絕緣部件。聚合器裝置40采用位于聚合器裝置40上的光收發(fā)器34與燃料電池堆12中的第一 ESP30開始通信，以確立電池堆12中的第一 ESP30的位置，并收集例如與連接到第一 ESP30的疊置板20相關(guān)聯(lián)的燃料電池14或燃料電池14組的最小測量電壓。電池堆12 中的每個ESP30都參與通信，使用例如9/N/1協(xié)議，來確定電池堆中以菊鏈方式布置(即串聯(lián))的電池堆12中的每個燃料電池14的位置和最小電池電壓，直到獲知在電池堆12中的所有燃料電池12的位置和最小電池電壓。也可以對燃料電池14進(jìn)行其他測量，例如，每個燃料電池14的測量的HFR。采用這種方法，ESP30與聚合器裝置40 —起，將電池堆12中的每個燃料電池14的位置和測量信息傳輸?shù)骄酆掀餮b置40，然后聚合器裝置40將該位置和測量信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)44。圖2是ESP30的簡化方框圖，ESP30包括多個電子部件，這些多個電子部件結(jié)合起來形成ESP印刷電路板32。每個電路板32包括低輸入電壓DC-DC轉(zhuǎn)換器52，該DC-DC轉(zhuǎn)換器52將來自燃料電池14或燃料電池14組的少量功率轉(zhuǎn)換成用于ESP印刷電路板32的穩(wěn)定且可使用的操作電壓。電路板32還包括模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器M，該模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器M將燃料電池14或燃料電池14組的差分電壓值(以下稱為“測量值”)轉(zhuǎn)換成可被與光收發(fā)器34電耦合的微處理器56處理和傳輸?shù)臄?shù)值，從而能夠傳送至相鄰的ESP30和/或聚合器裝置40。微處理器56也可確定哪一個電池具有最小的電池電壓或最大的電池電壓， 以及也可以通過光收發(fā)器34傳送的其他輔助數(shù)據(jù)(如其自身工作狀態(tài))。此外，ESP印刷電路板32包括電壓基準(zhǔn)58，電壓基準(zhǔn)58產(chǎn)生穩(wěn)定電壓，使得該產(chǎn)生的穩(wěn)定電壓可以通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器M與測量值相比較。在本發(fā)明的非限制性的實施例中，該電壓基準(zhǔn)58和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器M可以集成在微處理器56中。如圖2所示，每個ESP印刷電路板32具有兩個連接器觀，用來將該電路板32連接到疊置板20。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠認(rèn)識到，可以使用各種設(shè)計將電路板32連接到疊置板20，但未脫離本發(fā)明的范圍。如上所述，每個ESP印刷電路板32還包括位于電路板32的頂部和底部上的光收發(fā)器34，以使數(shù)據(jù)能傳輸?shù)较噜彽腅SP30和所述聚合器裝置40，以及從相鄰的ESP30和所述聚合器裝置40進(jìn)行傳輸。聚合器裝置40也包括用來與ESP30進(jìn)行通信的光收發(fā)器34。 每個光收發(fā)器34包括光發(fā)射器36，如發(fā)光二極管(LED)，和光接收器38，如半導(dǎo)體光探測器、光電晶體管或光電二極管，用來發(fā)送和接收信息。將每個ESP印刷電路板32和每個聚合器裝置40的光收發(fā)器34對準(zhǔn)以傳輸光信號。更具體地，第一 ESP印刷電路板32的光發(fā)射器36與第二 ESP印刷電路板32的光接收器38對準(zhǔn)，反之亦然，使得第一和第二 ESP印刷電路板32能夠來回發(fā)送光信息，如圖1所示。選擇光發(fā)射器36和光接收器38，使得它們各自的譜發(fā)射率和靈敏度相匹配，并將光發(fā)射器36和光接收器38定位成使得位于中心ESP30的頂部上的光發(fā)射器36直接照射到電池堆中位于中心ESP正上方的下一個更高的ESP30的光接收器38的光敏區(qū)域。相反， 位于中心ESP30上的底部光發(fā)射器36定向成直接照射在電池堆中位于中心ESP30正下方的下一個更低的ESP30的頂側(cè)上的光接收器38。如上面所描述，通過發(fā)送和接收ESP30的各自的微處理器在光收發(fā)器34的LED/探測器上交換的數(shù)據(jù)編組成數(shù)據(jù)位的包，其中每個數(shù)據(jù)位由光脈沖表示，并且脈沖的間隔確定數(shù)據(jù)位的值。這種通信方式可以是脈沖位置調(diào)制(PPM)，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。將該ESP印刷電路板32的所有光收發(fā)器34對準(zhǔn)以允許進(jìn)行通信，如同上面所討論的電池堆12中ESP30以柱狀排列形式對準(zhǔn)。在本領(lǐng)域中存在很多技術(shù)，其中來自光收發(fā)器34的光信號能指示諸如電勢、HFR 或其他輔助數(shù)據(jù)(如，該電路板32的工作狀態(tài))的測量值。例如，在模擬方案中，來自光發(fā)射器36的光的強度能作為電勢的指示，其中該光信號與電壓成比例。如上面討論的，電路板32可包括調(diào)壓器，如DC/DC轉(zhuǎn)換器52，以通過光收發(fā)器34將電壓轉(zhuǎn)換至可用的水平。同樣，ESP印刷電路板32可包括模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器M，如上所述，以產(chǎn)生調(diào)頻的數(shù)字光信號， 以對測量值進(jìn)行編碼。大多數(shù)光收發(fā)器(如LED)具有的最小的正向電壓大約為1. 2伏，用它們測量單個電池電壓是不現(xiàn)實的。因此，ESP印刷電路板32還可以包括小型的升壓變換器以放大該測量電壓。該升壓變換器的反饋環(huán)路可以設(shè)計成使得其輸出電流跟隨輸入電壓，使該光收發(fā)器34的強度隨測量值變化。圖3是流程圖60，其示出了系統(tǒng)10是如何測量和傳輸電池堆12中的每個燃料電池14或燃料電池14組的電池電壓。啟動后，在方框62中，聚合器裝置40啟動關(guān)于電池堆12中的第一 ESP30的協(xié)議。聚合器裝置40通過經(jīng)由聚合器裝置40和第一 ESP30的ESP印刷電路板32上的光收發(fā)器34的通信來確定第一 ESP30的ζ軸連續(xù)位置，所述光收發(fā)器34 對準(zhǔn)使得來自聚合器裝置40的光發(fā)射器36的信號被直接傳輸?shù)降谝?ESP30的光收發(fā)器34 的光接收器38。在方框64中，每個ESP30隨后與以菊鏈方式柱狀排列中的下一個ESP30通信，也就是說，通過使用位于電池堆12中的ESP30的每個ESP印刷電路板的頂部和底部上的光學(xué)收發(fā)器34穿過串聯(lián)的每個ESP30來進(jìn)行傳輸。每個ESP30的光收發(fā)器34以柱狀排列對準(zhǔn)，從而如上所述使用光收發(fā)器將信息發(fā)送和接收至每個相鄰的ESP30。這樣，可確定燃料電池堆12中的每個ESP30的ζ軸連續(xù)位置。隨后，在方框66中，使用電池堆12中的每個ESP30的ζ軸連續(xù)位置來尋址每個ESP30并識別每個ESP30的測量值，該每個ESP30 的測量值是用光收發(fā)器34從每個ESP30進(jìn)行傳輸。例如，在正常工作中，每個ESP30可連續(xù)測量燃料電池14產(chǎn)生的電壓，更具體地， 由燃料電池膜產(chǎn)生的在疊置板20上的電壓。在方框68，當(dāng)聚合器裝置40通過光收發(fā)器 34向ESP30發(fā)出對測量電壓的請求時，在方框70，ESP30使用數(shù)字信令通過光收發(fā)器34傳輸該測量電壓。這樣，ESP30和它們的光收發(fā)器34形成匯流數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(bussed data transmission system)。在本發(fā)明的替代實施例中，ESP30可使用真實多點光總線(true multipoint optical bus)來提高可靠性，如采用利用光管技術(shù)的結(jié)構(gòu)。從而，單個ESP30的故障不會中斷測量值和其他數(shù)據(jù)傳輸至ESP30以及從ESP30進(jìn)行傳輸，該ESP30位于遠(yuǎn)離控制系統(tǒng)44 的ζ軸連續(xù)位置。圖4是與系統(tǒng)10類似的系統(tǒng)80的方框圖，其中用同樣的附圖標(biāo)記來表示相似的元件。系統(tǒng)80包括兩個聚合器裝置40，這兩個聚合器裝置裝備有互補的光收發(fā)器34以與暴露在ESP30電池堆端部處的最頂部和最底部的ESP30的光收發(fā)器34相匹配。此外，聚合器裝置40裝備有微處理器56，該微處理器56與光收發(fā)器34電耦合并可以與外部控制系統(tǒng) (例如控制系統(tǒng)44)電耦合。位于堆疊的ESP30的每個端部處的聚合器裝置40的微處理器 56電耦合到線路86，使得一個聚合器作為“主”通信(communications “master”)，另一個作為“從屬”通信(communications “subordinate”)，以下將詳細(xì)討論。如上所述，聚合器裝置40安置在電池堆12的每個端部，從而使得能夠請求并調(diào)整測量值的傳輸。請求可以是來自外部裝置(如控制系統(tǒng)44)的射頻(RF)或射頻識別(RFID) 型通信。此外，可以使用電容耦合以在相鄰的ESP30之間傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，從而通過阻斷DC 電壓并使AC電壓通過來提供電流隔離。如上所述，在圖4的非限制性實施例中，系統(tǒng)80在電池堆12的頂部和底部可裝配有聚合器裝置40。聚合器裝置40中的一個作為“主”聚合器82，而另一個聚合器裝置40 作為“從屬”聚合器84。通過經(jīng)由位于主聚合器82底側(cè)上的光發(fā)射器34向與主聚合器82 相鄰的ESP30發(fā)送命令(以脈沖位置調(diào)制(PPM)包的形式)，該主聚合器82開始通信。經(jīng)由位于ESP30頂側(cè)上的光接收器34，與主聚合器82相鄰的ESP30接收該通信。然后，與主聚合器82相鄰的ESP30執(zhí)行由主聚合器82發(fā)出的命令，該命令可以包括捕獲測量值或把測量數(shù)據(jù)代入PPM包的數(shù)據(jù)有效載荷中。在由相鄰的ESP30執(zhí)行來自主聚合器82的命令后，與主聚合器裝置82相鄰的 ESP30,即第一 ESP30，試圖向柱狀排列的下一個ESP30，即第二 ESP30，發(fā)出命令(可能有變化的有效載荷)。從而，最頂端的ESP30執(zhí)行從主聚合器82發(fā)出的命令，該命令可以包括捕獲測量值或把測量數(shù)據(jù)代入PPM包的數(shù)據(jù)有效載荷中。執(zhí)行該命令后，該最頂端的ESP30試圖向下一個ESP30發(fā)出該命令(可能有變化的有效載荷)，沿著堆疊的ESP縱向移動以“遠(yuǎn)離”該ESP30。該通信過程繼續(xù)至電池堆12中的每一個ESP30，直到通過電池堆12中的所有ESP30重復(fù)命令發(fā)出、命令確認(rèn)和命令執(zhí)行的循環(huán)。系統(tǒng)80使用位于每隔一個疊置板20上的ESP30，從而系統(tǒng)80中的每個ESP30測量電池堆12中的兩個燃料電池14的組。例如，主聚合器82傳輸其電壓，第一 ESP30測量總電壓并減去主聚合器82的電壓，以確定與第一 ESP30相關(guān)聯(lián)的電池14組的測量電壓值。 然后，第一 ESP30可傳輸該總值和它的值，第二 ESP30可減去由第一 ESP30傳輸?shù)脑摽傊狄源_定與第二 ESP30相關(guān)聯(lián)的該電池14組的測量電壓值。如果控制系統(tǒng)44發(fā)送了最小電壓請求，第二 ESP30將確定該第二 ESP30的測量電壓是否小于第一 ESP30的測量電壓。如果是的話，第二 ESP30將總測量值傳輸給電池堆12中的第三ESP20，所述總測量值包括與第二 ESP30關(guān)聯(lián)的燃料電池14組的測量值，以及與第二 ESP30關(guān)聯(lián)的電池14組的測量電壓值，所述測量電壓值是迄今為止所記載的電池堆中的最小電壓值。每個ESP30相對于第二 ESP30重復(fù)上述過程，直到獲知燃料電池14組的所有電壓值，并且識別出具有最小電壓的燃料電池14組。在電池堆12中的最底部ESP30執(zhí)行所述命令后，它向從屬聚合器84發(fā)出命令(可能有變化的有效載荷)。該從屬聚合器84接收該命令，并通過線路86上的電耦合向主聚合器82發(fā)出成功的消息。當(dāng)上述非限制性實施例使用位于電池堆12頂部上的主聚合器82以及位于電池堆 12底部的從屬聚合器84時，主聚合器82和從屬聚合器84的位置在電池堆12的任一個端部可以互換地定位。按照圖4所述的包括主聚合器82和從屬聚合器84的非限制性實施例，可以克服會中斷命令發(fā)出、命令確認(rèn)和命令執(zhí)行的循環(huán)流的發(fā)生故障或不工作的ESP30。例如，如果 ESP30發(fā)生故障或不工作，如果可行的話，該ESP30將不會確認(rèn)命令已經(jīng)由主聚合器82或與發(fā)生故障的ESP30相鄰的ESP30發(fā)出。如果這種情形發(fā)生，且命令發(fā)出者是電池堆12中的 ESP30，那么向發(fā)生故障的ESP30發(fā)出命令的ESP30會通過向原先從其處接收命令的ESP30 發(fā)出命令(或用來表示故障的修改過的命令)而使通信方向倒轉(zhuǎn)。ESP30的通信方向的倒轉(zhuǎn)使命令或修改過的命令轉(zhuǎn)發(fā)回發(fā)起命令的聚合器裝置 40，從而允許探測出故障。在主聚合器82發(fā)起命令并且已探測出通信故障的情況下，主聚合器82可利用線路86發(fā)出消息，以請求從屬聚合器84向位于電池堆12的相對端且與從屬聚合器84相鄰的ESP30發(fā)出命令，從而允許從兩端訪問電池堆12。這樣，系統(tǒng)80可防止由于個別出現(xiàn)故障的或不工作的ESP30而丟失一部分電池堆12的測量數(shù)據(jù)。在另一個非限制性實施例中，可以在電池堆12中的每個ESP30的頂面和底面上安裝另外一對光收發(fā)器34。每個ESP30還在交替的幾何位置上裝配有孔，使得可以“圍繞”出現(xiàn)故障的或不工作的ESP30來引導(dǎo)PPM包。這樣，如果出現(xiàn)故障的或不工作的ESP30在電池堆12中不是直接彼此相鄰的，則可防止由于在電池堆12中出現(xiàn)兩個故障的或不工作的 ESP30而丟失一部分電池堆12中的測量數(shù)據(jù)。
在另一個非限制性實施例中，位于每個ESP30上的光收發(fā)器34的光發(fā)射器36和光接收器38可以分別有不同的譜發(fā)射和響應(yīng)，并且可以用于“上行束縛(upward-bound)，， 和“下行束縛(downward-bound)” PPM包。這樣，可以最小化或者消除電池堆12中位于彼此物理上緊密相鄰的ESP30上的光收發(fā)器34之間的串?dāng)_。以上討論僅僅公開并描述了本發(fā)明的示例性實施例。從上述討論以及從附圖和權(quán)利要求中，本領(lǐng)域技術(shù)人員會容易地認(rèn)識到，在不脫離下述權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以對本發(fā)明進(jìn)行各種變化，修改和變形。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，用于傳輸來自燃料電池堆中的燃料電池的測量數(shù)據(jù)，所述系統(tǒng)包括多個燃料電池，每個燃料電池產(chǎn)生電勢；多個疊置板，其包括在每個燃料電池之間和在所述燃料電池堆的每個端部上的一個疊置板，以收集所述燃料電池產(chǎn)生的電勢；多個嵌入智能板，每個嵌入智能板與所述燃料電池堆中的所述多個疊置板的至少一個機(jī)電耦合，每個嵌入智能板包括位于所述智能板的頂側(cè)和底側(cè)上的光收發(fā)器，每個嵌入智能板通過來自所述燃料電池的所述電勢從所述燃料電池堆接收操作功率，所述燃料電池與和所述嵌入智能板耦合的所述疊置板相鄰；以及至少一個聚合器裝置，所述至少一個聚合器裝置包括至少一個光收發(fā)器，用來與和所述至少一個聚合器裝置相鄰的所述嵌入智能板開始通信，其中所述聚合器裝置與所述嵌入智能板開始通信，以在所述電池堆中的所述嵌入智能板之間開始一系列通信，從而確定通過所述電池堆中的每個嵌入智能板所收集的位置和測量數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中位于每個嵌入智能板和位于所述至少一個聚合器裝置上的所述光收發(fā)器中的每一個包括光發(fā)射器和光接收器。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中位于每個嵌入智能板和位于所述至少一個聚合器裝置上的所述光收發(fā)器與位于相鄰的嵌入智能板和/或所述聚合器裝置上的所述光接收器對準(zhǔn)。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中每個嵌入智能板進(jìn)一步包括附加的光收發(fā)器以旁路運行不正常的嵌入智能板。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中每個嵌入智能板的所述光收發(fā)器具有不同的譜發(fā)射禾口 η向/S。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述電池堆中的每個燃料電池的位置、測量的電池電壓和/或高頻電阻通過所述嵌入智能板被傳輸給所述聚合器裝置。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中每個嵌入智能板包括嵌入智能板印刷電路板，所述嵌入智能板印刷電路板具有低輸入電壓DC-DC轉(zhuǎn)換器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、微處理器和電壓基準(zhǔn)。
8.一種系統(tǒng)，用于傳輸來自燃料電池堆中的燃料電池的測量數(shù)據(jù)，所述系統(tǒng)包括多個燃料電池；多個疊置板，包括在每個燃料電池之間和所述電池堆的每個端部上的一個疊置板；多個嵌入智能板，每個嵌入智能板與所述燃料電池堆中的所述多個疊置板中的至少一個機(jī)電耦合，且每個嵌入智能板包括嵌入智能板印刷電路板和位于所述智能板的頂側(cè)和底側(cè)上的光收發(fā)器；至少一個聚合器裝置，所述至少一個聚合器裝置包括至少一個光收發(fā)器，用來與和所述至少一個聚合器裝置相鄰的嵌所述入智能板開始通信；以及控制器，其構(gòu)造成控制所述聚合器裝置，其中所述控制器請求所述聚合器裝置與和所述至少一個聚合器裝置相鄰的所述嵌入智能板進(jìn)行通信，以在所述電池堆中的所述嵌入智能板之間開始一系列通信，從而確定所述電池堆中的每個智能板所收集的位置和測量數(shù)據(jù)。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中位于每個嵌入智能板和所述至少一個聚合器裝置上的所述光收發(fā)器中的每個包括光發(fā)射器和光接收器。
10. 一種系統(tǒng)，用于傳輸燃料電池堆中的燃料電池的測量數(shù)據(jù)，所述系統(tǒng)包括 多個燃料電池；多個疊置板，其包括在每個燃料電池之間和所述燃料電池堆的每個端部上的一個疊置板；多個嵌入智能板，每個嵌入智能板通過至少一個連接器與所述燃料電池堆中的多個疊置板機(jī)電耦合，每個嵌入智能板包括位于每個嵌入智能板的頂側(cè)和底側(cè)上的光收發(fā)器；以及至少一個聚合器裝置，所述至少一個聚合器裝置包括至少一個光收發(fā)器，以與所述嵌入智能板開始通信，從而在嵌入智能板和至少一個聚合器裝置之間開始一系列通信，以確定所述電池堆中的每個智能板所收集的位置和測量數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于收集和傳輸燃料電池堆中的測量數(shù)據(jù)的方法，提供一種用于從燃料電池堆中的每個燃料電池或燃料電池組傳輸測量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，包括多個燃料電池和多個疊置板，其中在每個燃料電池之間和電池堆的每個端部上有一個疊置板。系統(tǒng)包括多個嵌入智能板，其中每個嵌入智能板與多個疊置板中的至少一個機(jī)電耦合，且其中每個嵌入智能板包括位于該智能板的頂側(cè)和底側(cè)上的光收發(fā)器。系統(tǒng)進(jìn)一步包括至少一個聚合器裝置，該聚合器裝置具有至少一個光收發(fā)器以在嵌入智能板之間開始一系列通信，從而確定每個智能板所收集的位置和數(shù)據(jù)。
文檔編號G01R31/36GK102280650SQ201110093899
公開日2011年12月14日 申請日期2011年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月8日
發(fā)明者D·D·里, K·L·凱, M·F·扎維薩 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司