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专利名称：在低功率操作时使用低性能电池检测来改进可靠性的方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于检测燃料电池堆中的低性能电池的系统和方法，且更具体 地涉及这样一种用于检测燃料电池堆中的低性能电池的系统和方法包括在低燃料电池堆 功率时测量燃料电池堆中的燃料电池的电压以及确定低性能电池计时与燃料电池堆运行 计时的比率以检测低性能电池。
背景技术：
氢是非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的且能够用于在燃料电池中有效地产生 电力。氢燃料电池是电化学装置，包括阳极和阴极，电解质在阳极和阴极之间。阳极接收氢 气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极中分解以产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达 阴极。质子与阴极中的氧和电子反应产生水。来自于阳极的电子不能穿过电解质，且因而 被引导通过负载，以在输送至阴极之前做功。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是车辆的普遍燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合 物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细分的催化剂颗粒，通常是钼 (Pt)，所述催化剂颗粒支承在碳颗粒上且与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对两 侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA的 制造相对昂贵且需要某些条件以有效操作。多个燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生期望功率。例如，车辆的典型燃料电 池堆可以具有两百或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常是 由压缩机强制通过燃料电池堆的空气流。不是所有的氧都由燃料电池堆消耗，且一些空气 作为阴极废气输出，所述阴极废气可以包括作为燃料电池堆的副产物的水。燃料电池堆也 接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢反应气体。燃料电池堆也包括冷却流体流经的流动 通道。燃料电池堆包括位于燃料电池堆中多个MEA之间的一系列双极板，其中，双极板 和MEA设置在两个端板之间。双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴 极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，且允许阳极反应气体流向相应MEA。阴 极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，且允许阴极反应气体流向相应MEA。一个端板包 括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成， 如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电传导到燃料电池堆之外。双极板也包括 冷却流体流经的流动通道。当燃料电池堆老化时，燃料电池堆中的独立电池的性能由于各种因素不同地降 级。存在低性能电池的不同原因，例如，电池溢流、催化剂损失等，一些是暂时性的且一些是
4永久性的，一些需要维护，且一些需要燃料电池堆更换以更换这些低性能电池。虽然燃料电 池串联地电联接，但是在负载跨过燃料电池堆联接时每个电池的电压不同地降低，其中，低 性能的那些电池具有较低电压。因而，有必要监测燃料电池堆中的燃料电池的电池电压，以 确保电池电压不会下降低于预定阈值电压，以防止电池电压极性颠倒，可能导致对电池的 永久性损害。用于检测燃料电池堆中的低性能电池的当前技术通常估计电池电压以检测低性 能电池。虽然估计电池电压会还算准确，但是更可靠的是提供用于确定低性能电池的准确 地测量电池电压的技术。

发明内容
根据本发明的教导，公开了用于使用测量电池电压来检测燃料电池堆中的低性能 电池的系统和方法。所述系统包括能够识别燃料电池堆中的平均电池电压和最小电池电压 的测量装置。所述方法包括确定燃料电池堆在运行，燃料电池堆冷却剂温度高于某一温度 且燃料电池堆电流密度在相对低的功率范围内。所述方法还包括计算平均电池电压；以 及确定平均电池电压和最小电池电压之间的差是否大于预定阈值。如果平均电池电压和 最小电池电压之间的差大于预定阈值且最小电池电压小于另一预定阈值，那么所述方法累 增低性能电池计时。计算低性能电池计时与系统运行计时的比率，且如果所述比率大于某 一百分比且运行时间大于预定时间，那么检测到低性能电池。该识别决策可以报告给其它 算法以运行某些补救动作，例如降低许可燃料电池堆电流。方案1. 一种检测燃料电池堆中的低性能电池的方法，所述方法包括测量燃料电池堆中的每个燃料电池的电压；确定测量电压的最小电池电压；根据测量电压计算平均电池电压；确定所计算的平均电池电压和最小电池电压之间的差；确定所述差是否超过第一预定电压阈值；确定最小电池电压是否小于第二预定电压阈值；如果所述差超过第一预定电压阈值且最小电池电压小于第二预定电压阈值，那么 累增低性能电池计时；计算低性能电池计时和系统运行计时之间的比率；以及确定所述比率是否超过预定百分比以确定燃料电池堆是否包括低性能电池。方案2.根据方案1所述的方法，还包括还确定运行计时是否超过预定运行时间 以确定燃料电池堆中是否存在低性能电池。方案3.根据方案2所述的方法，其中，预定运行时间是60秒。方案4.根据方案1所述的方法，其中，预定百分比是90%。方案5.根据方案1所述的方法，其中，第一和第二电压阈值根据燃料电池堆电流 密度而定，其中，第一和第二电压阈值根据燃料电池堆电流密度变化。方案6.根据方案1所述的方法，还包括以预定间隔累增运行计时且在运行计时达 到最大运行时间时重置低性能电池计时和运行计时。方案7.根据方案6所述的方法，其中，最大运行时间是600秒。
方案8.根据方案1所述的方法，还包括仅在燃料电池堆处于运行状态且燃料电池 堆冷却剂温度高于预定温度时检测低性能电池。方案9.根据方案1所述的方法，还包括仅在燃料电池堆电流密度在0. 1和0. 4A/ cm2之间时检测低性能电池。方案10. —种检测燃料电池堆中的低性能电池的方法，所述方法包括测量燃料电池堆中的每个燃料电池的电压；确定测量电压的最小电池电压；根据测量电压计算平均电池电压；确定所计算的平均电池电压和最小电池电压之间的差；确定所述差是否超过第一预定电压阈值；确定最小电池电压是否小于第二预定电压阈值；如果所述差超过第一预定电压阈值且最小电池电压小于第二预定电压阈值，那么 累增低性能电池计时；计算低性能电池计时和系统运行计时之间的比率；确定所述比率是否超过预定百分比且运行计时是否超过预定时间以确定燃料电 池堆是否包括低性能电池；以预定间隔累增运行计时且在运行计时达到最大运行时间时重置低性能电池计 时和运行计时；以及仅在燃料电池堆处于运行状态、燃料电池堆当前温度高于预定温度、且燃料电池 堆电流密度在低燃料电池堆电流密度范围内时检测低性能电池。方案11.根据方案10所述的方法，其中，预定百分比是90%。方案12.根据方案10所述的方法，其中，预定时间是60秒。方案13.根据方案10所述的方法，其中，第一和第二电压阈值根据燃料电池堆电 流密度而定，其中，第一和第二电压阈值根据燃料电池堆电流密度变化。方案14.根据方案10所述的方法，其中，最大运行时间是600秒。方案15.根据方案10所述的方法，其中，低燃料电池堆电流密度是0. 1和0. 4A/
2
cm ο方案16. —种检测燃料电池堆中的低性能电池的系统，所述系统包括测量燃料电池堆中的每个燃料电池的电压的装置；确定测量电压的最小电池电压的装置；根据测量电压计算平均电池电压的装置；确定所计算的平均电池电压和最小电池电压之间的差的装置；确定所述差是否超过第一预定电压阈值的装置；确定最小电池电压是否小于第二预定电压阈值的装置；如果所述差超过第一预定电压阈值且最小电池电压小于第二预定电压阈值那么 累增低性能电池计时的装置；计算低性能电池计时和系统运行计时之间的比率的装置；以及确定所述比率是否超过预定百分比以确定燃料电池堆是否包括低性能电池的装置。
方案17.根据方案16所述的系统，还包括确定运行计时是否超过预定时间以确定 燃料电池堆中是否存在低性能电池的装置。方案18.根据方案16所述的系统，其中，第一和第二电压阈值根据燃料电池堆电 流密度而定，其中，第一和第二电压阈值根据燃料电池堆电流密度变化。方案19.根据方案16所述的系统，还包括以预定间隔累增运行计时且在运行计时 达到最大运行时间时重置低性能电池计时和运行计时的装置。方案20.根据方案16所述的系统，其中，所述系统仅在燃料电池堆处于运行状态、 燃料电池堆冷却剂温度高于预定温度、且燃料电池堆电流密度在低燃料电池堆电流密度范 围内时检测低性能电池。本发明的附加特征将从以下说明和所附权利要求书结合附图显而易见。


图1是包括低性能电池监测电路的燃料电池堆的示意平面图；和图2是示出了用于检测图1所示燃料电池堆中的低性能电池的过程的流程图。
具体实施例方式涉及使用测量电池电压来检测燃料电池堆中的低性能电池的系统和方法的本发 明实施例的以下阐述本质上仅仅是示例性的且不旨在以任何方式限制本发明或其应用或使用。图1是包括串联地电联接的多个燃料电池12的燃料电池堆10的平面图。燃料电 池堆10还包括电联接到燃料电池12的正端子14和负端子16。系统负载18电联接到端子 14和16。电压监测电路20电联接到燃料电池12且监测每个燃料电池12的电压。如下文 详细讨论的那样，燃料电池监测电路20监测燃料电池12的电压并提供可以由控制器使用 以识别低性能电池的平均电池电压和最小电池电压。如下文所述，本发明包括用于检测燃料电池堆10中的低性能电池(LPC)的系统和 方法，包括使用实际测量电池电压和低性能电池计时、re与系统运行计时tKUN的比率。图2是示出了以这种方式检测低性能电池的算法的过程的流程图30。算法首先在 框32处清零计时、re和tKUN。算法仅在燃料电池堆10运行(S卩，从燃料电池堆10吸取电 流)、燃料电池堆冷却剂温度高于指示燃料电池堆10能够传输合适功率的某一温度且燃料 电池堆电流密度在低功率范围(例如0. 1-0. 4A/cm2)内时确定低性能电池。因而，在决策菱 形块34，算法确定燃料电池堆10是否运行，且如果否，返回至过程的开始；在决策菱形块36 确定燃料电池堆冷却剂温度是否高于预定值(例如57°C )，且如果否，返回至过程的开始； 在决策菱形块38确定燃料电池堆电流密度是否在0. 1-0. 4A/cm2之间，且如果否，返回至过 程的开始。过程限于低电流密度范围的原因在于产生提前报警指示，且防止在检测到低性 能电池时系统吸取更高的电流密度。如果所有这些条件都满足，那么算法在框40处累增运 行计时tKUN。测量每个电池电压；在框42，计算平均电池电压CVavg ；在框44，所计算的平均电池 电压CVavg被低通滤波。此外，最小电池电压CVmin在框46被确定且在框48被低通滤波。算 法然后在框50确定平均电池电压CVavg和最小电池电压CVmin之间的差，且然后在框52使电压差经受指数加权移动平均。指数加权移动平均从计算去除由于测量期间电池电压的快速 变化引起的急剧瞬变。平均电池电压CVavg和最小电池电压CVmin之间的差然后在决策菱形块54处与电压 阈值进行比较，电压阈值根据燃料电池堆电流密度而定。具体地，取决于在燃料电池堆电流 密度范围中的哪个地方当前获取电压测量值，确定电压阈值将是何值，其中，当燃料电池堆 电流密度减小时，阈值变小。如果在决策菱形块54处平均电池电压CVavg和最小电池电压 CVmin之间的差不大于阈值，那么不累增低性能电池计时tm。算法在决策菱形块56处确定最小电池电压CVmin是否小于预定电压阈值，预定电 压阈值也根据燃料电池堆电流密度而定；如果否，那么不累增低性能电池计时、re。如果在 决策菱形块54处平均电池电压CVavg和最小电池电压CVmin之间的差大于电压阈值且在决策 菱形块56处最小电池电压CVmin小于电压阈值，那么在框58累增低性能电池计时t『。算法然后在框60计算低性能电池计时、re与运行计时tra的比率且然后在决策菱 形块62处确定比率、re/tKUN是否小于或等于某预定比率(例如，90% )且运行计时是 否大于某预定时间(例如，600秒)。如果在决策菱形块62处比率t『/t_小于90%且运 行计时tKUN大于600秒，那么没有低性能电池且运行时间已经超过该过程的最大运行时间 值。因而，在框64重置计时tKUN和、re。因为不知道燃料电池堆10将实际上运行多长，因 此提供最大运行时间。如果在决策菱形块62处比率t『/t·大于90%或者运行计时小于600秒，那 么算法在决策菱形块66处确定比率、Ρ。/、υΝ是否大于90%且运行计时tKUN是否大于或等 于例如60秒。选择60秒的运行时间作为任意时间以消除在燃料电池堆启动时可能发生的 不稳定性，从而直到燃料电池堆10更稳定操作才会发生低性能电池的检测。如果在决策菱形块66处比率tLrc/tKUN不大于90%或者运行计时tKUN不大于60秒， 那么在框68未检测到低性能电池且算法返回至开始。然而，如果在决策菱形块66处比率 tLPC/tEUN大于90%且运行计时tKUN大于60秒，那么在框70检测到低性能电池且设定合适的 标记。算法然后可以在框72处采取某些补救动作，例如限制电流设定点瞬变，最终限制从 燃料电池堆10吸取的许可电流。因为在相同运行时间段内最小电池电压CVmin低于某预定阈值的时间越长，计时 tLPC累增，所以比率t『/tKUN能够给出低性能电池的指示。换句话说，当燃料电池堆10运行 且最小电池电压CVmin保持低于阈值时，那么比率t『/t_将接近100%。前述说明仅仅公开和描述本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这种说明和 附图以及权利要求书将容易认识到，能够对本发明进行各种变化、修改和变型，而不偏离由 所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。
权利要求
一种检测燃料电池堆中的低性能电池的方法，所述方法包括测量燃料电池堆中的每个燃料电池的电压；确定测量电压的最小电池电压；根据测量电压计算平均电池电压；确定所计算的平均电池电压和最小电池电压之间的差；确定所述差是否超过第一预定电压阈值；确定最小电池电压是否小于第二预定电压阈值；如果所述差超过第一预定电压阈值且最小电池电压小于第二预定电压阈值，那么累增低性能电池计时；计算低性能电池计时和系统运行计时之间的比率；以及确定所述比率是否超过预定百分比以确定燃料电池堆是否包括低性能电池。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括还确定运行计时是否超过预定运行时间以确 定燃料电池堆中是否存在低性能电池。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，预定运行时间是60秒。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，预定百分比是90%。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，第一和第二电压阈值根据燃料电池堆电流密度 而定，其中，第一和第二电压阈值根据燃料电池堆电流密度变化。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括以预定间隔累增运行计时且在运行计时达到最 大运行时间时重置低性能电池计时和运行计时。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，最大运行时间是600秒。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括仅在燃料电池堆处于运行状态且燃料电池堆冷 却剂温度高于预定温度时检测低性能电池。
9.一种检测燃料电池堆中的低性能电池的方法，所述方法包括 测量燃料电池堆中的每个燃料电池的电压；确定测量电压的最小电池电压；根据测量电压计算平均电池电压；确定所计算的平均电池电压和最小电池电压之间的差；确定所述差是否超过第一预定电压阈值；确定最小电池电压是否小于第二预定电压阈值；如果所述差超过第一预定电压阈值且最小电池电压小于第二预定电压阈值，那么累增 低性能电池计时；计算低性能电池计时和系统运行计时之间的比率；确定所述比率是否超过预定百分比且运行计时是否超过预定时间以确定燃料电池堆 是否包括低性能电池；以预定间隔累增运行计时且在运行计时达到最大运行时间时重置低性能电池计时和 运行计时；以及仅在燃料电池堆处于运行状态、燃料电池堆当前温度高于预定温度、且燃料电池堆电 流密度在低燃料电池堆电流密度范围内时检测低性能电池。
10.一种检测燃料电池堆中的低性能电池的系统，所述系统包括测量燃料电池堆中的每个燃料电池的电压的装置；确定测量电压的最小电池电压的装置；根据测量电压计算平均电池电压的装置；确定所计算的平均电池电压和最小电池电压之间的差的装置；确定所述差是否超过第一预定电压阈值的装置；确定最小电池电压是否小于第二预定电压阈值的装置；如果所述差超过第一预定电压阈值且最小电池电压小于第二预定电压阈值那么累增 低性能电池计时的装置；计算低性能电池计时和系统运行计时之间的比率的装置·，以及确定所述比率是否超过预定百分比以确定燃料电池堆是否包括低性能电池的装置。
全文摘要
本发明涉及在低功率操作时使用低性能电池检测来改进可靠性的方法。使用测量电池电压来检测燃料电池堆中的低性能电池的系统和方法。所述方法包括确定燃料电池堆在运行、燃料电池堆冷却剂温度高于某一温度且燃料电池堆电流密度在相对低的功率范围内。所述方法还包括计算平均电池电压；以及确定平均电池电压和最小电池电压之间的差是否大于预定阈值。如果平均电池电压和最小电池电压之间的差大于预定阈值且最小电池电压小于另一预定阈值，那么所述方法累增低性能电池计时。计算低性能电池计时与系统运行计时的比率，以识别低性能电池。
文档编号G01R19/165GK101957434SQ20101022934
公开日2011年1月26日 申请日期2010年7月14日 优先权日2009年7月14日
发明者B·拉克什马南, D·R·萨瓦奇, J·雍, P·M·维凯西, S·加纳帕蒂, T·蔡 申请人:通用汽车环球科技运作公司