CN211629223U - 燃料电池堆运行状态的检测组件、燃料电池以及车辆 - Google Patents

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Abstract

燃料电池堆运行状态的检测组件、燃料电池以及车辆，检测组件包括：电流微分传感器以及傅里叶分析仪，电流微分传感器与燃料电池堆电连接，且适于读取燃料电池堆的电流并对电流进行求导；傅里叶分析仪与电流微分传感器电连接，且适于根据电流的微分进行谐波失真分析。由此，通过设置电流微分传感器测量出燃料电池堆的微分电流，一方面，可以提高检测组件的检测精度，并降低检测组件的成本；另一方面，不仅电流微分传感器的空间占用小，相较现有技术的成本更低，满足使用要求；而且无需对燃料电池堆的阻抗、单体电池的阻抗进行测量以绘制参考曲线，在满足检测精度的前提下，可以降低测量时间以及前期的测绘成本。

Description

燃料电池堆运行状态的检测组件、燃料电池以及车辆
技术领域
本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池堆运行状态的检测组件、燃料电池以及车辆。
背景技术
相关技术中，燃料电池堆由多片单体电池串联组成。单体电池的输出电压范围为0.7V—1.0V，单体电压较小，通常将多片单体电池通过串联的方式组合到一起来得到需要的高电压，正因为燃料电池堆由多片单体电池串联组成，一旦其中一片单体电池失效将造成整个燃料电池堆的失效，因此对单体电池的运行状态的检测十分必要。
现有的一种检测方式为检测单体电池的电压，检测单体电池电压的测量方式是通过检测燃料电池堆每片单体电池的电压(例如500片单体)或者每两片检测一片(也就是检测250片)的方式来衡量。多通道电压测量是极其浪费成本的，检测仪器又重又浪费空间(电路，A/D转换器，有限空间内的高压设备，具有高共模范围的电子采集设备)。
也就是说，多通道电压测量是极其昂贵，设备占用空间且质量庞大(电路、连接器、A/D转换器、受限空间中的高压以及具有高共模范围的采集电子设备)，难以满足大批量生产的要求。
另一种检测方式为在一定频率范围内测量燃料电池堆的阻抗，并将其与参考曲线进行比较。
阻抗曲线特有频率的改变可以反映燃料电池阴极、阳极与质子交换膜的变化情况。该方法基于以下事实：燃料电池堆的等效电路是截止频率相差很大的一阶低通滤波器的串联-并联电路，从而提供了所需的选择性。基于阻抗谱的监控方式是依据存储的参考值或参考曲线进行电堆状况诊断的。这些参考代表“健康”(即非零界运行状态)的目标参数值，这就使得必须预先了解在给定条件下(压力、温度、湿度等)电堆的所有运行状态，并为每个燃料电池单体存储这些状态数据。
也就是说，在绘制参考曲线时的样本容量较大，校准、获取每一个单体电池的相关数据需要花费大量的时间成本以及测量成本，同时在多个单体电池组成的燃料电池堆的实际应用中，不仅需要识别单体电池的缺陷，而且还需要识别出导致缺陷的情况，以便能够采取适当对策。在极端情况下，整个电堆需要进行脱机处理。基于参考曲线或某些统计分布假设的方法不能保证可靠地识别此类情况。
实用新型内容
本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种燃料电池堆运行状态的检测组件，所述检测组件不仅空间占用小，满足使用要求；而且测量精度高、成本低。
本实用新型进一步地提出了一种采用上述检测组件的燃料电池。
本实用新型还提出了一种具有上述燃料电池的车辆。
根据本实用新型第一方面实施例的燃料电池堆运行状态的检测组件包括：电流微分传感器以及傅里叶分析仪，所述电流微分传感器与所述燃料电池堆电连接，且适于读取所述燃料电池堆的电流并对所述电流进行求导；所述傅里叶分析仪与所述电流微分传感器电连接，且适于根据所述电流的微分进行谐波失真分析。
根据本实用新型实施例的检测组件，通过设置电流微分传感器测量出燃料电池堆的微分电流，一方面，通过电流微分传感器测量微分电流可以反映更多的燃料电池堆状态信息，可以提高检测组件的检测精度，并降低检测组件的成本；另一方面，不仅电流微分传感器的空间占用小，相较现有技术的成本更低，满足使用要求；而且无需对燃料电池堆的阻抗、单体电池的阻抗进行测量以绘制参考曲线，在满足检测精度的前提下，可以降低测量时间以及前期的测绘成本。
根据本实用新型的一些实施例，所述电流微分传感器构造为手工缠绕式传感器。
在一些实施例中，所述电流微分传感器包括：敷设管以及绝缘电线，所述绝缘电线手工缠绕在所述敷设管上。
进一步地，所述检测组件还包括：电流传感器和电压表，所述电流传感器和所述电压表均与所述燃料电池堆电连接。
进一步地，所述电压表与所述电流传感器之间设置有第一开关。
进一步地，所述电压表与所述燃料电池堆之间设置有第二开关。
在一些实施例中，所述电流传感器与所述电压表之间设置有保护电路，所述保护电路与所述第一开关并联。
进一步地，所述保护电路包括：串联的第三开关以及预充电电阻。
根据本实用新型第二方面实施例的燃料电池包括：多个上述实施例中所述的检测组件以及多个燃料电池堆，每个所述燃料电池堆上均对应设置有一个所述检测组件。
根据本实用新型第三方面实施例的车辆包括：上述实施例中所述的燃料电池。
本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本实用新型实施例的检测组件与燃料电池堆配合的示意图；
图2是根据本实用新型实施例的检测组件的电流微分传感器的示意图；
图3是根据本实用新型实施例的检测组件的电流微分传感器的另一个示意图。
图4和图5分别是现有的电流传感器的频谱图以及本实施例的电流微分传感器的频谱图。
附图标记：
检测组件100，
电流传感器20，电流微分传感器10，敷设管11，绝缘电线12，
傅里叶分析仪30，电压表40，第一开关50，第二开关60，第三开关70，预充电电阻80。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
下面参考图1-图5描述根据本实用新型实施例的检测组件100。
如图1所示，根据本实用新型第一方面实施例的燃料电池堆运行状态的检测组件100包括：电流微分传感器10以及傅里叶分析仪30，电流微分传感器10与燃料电池堆电连接，且适于读取燃料电池堆的电流并对电流进行求导；傅里叶分析仪30与电流微分传感器10电连接，且适于根据电流的微分进行谐波失真分析。
首先，可以理解的是，在燃料电池堆的工作过程中，可能出现以下情况：
1)阳极的氢气或阴极的氧气反应不充分(即氢氧化学计量比问题导致的反应不充分)，导致：U/I(电压/电流)特性在小电流下已经出现下降。
2)质子交换膜发生电路短路或气体短路时，电流为0时的电压将发生变化。
3)电极老化效应：电压/电流特性显著下降，因腐蚀老化效应导致欧姆阻抗增大。
也就是说，燃料电池堆工作过程中，出现故障时的具体表征为电压或者电流的变化，然而在一些特殊情况下，电流的变化或者电压的变化并不明显，基于此，本实施例通过采集电流的微分信息，并对电流的微分信息进行傅里叶分析，以提高检测精度。
其中，从燃料电池堆产生的直流电流信号可能有一些噪音，如果我们直接使用电流传感器测量电流，则很难放大信号中的固有噪音，并且无法获得有关燃料电池堆的更多的运行状态信息，也无法通过分析这些电流信号得到电堆的健康状况。
本实用新型通过使用电流微分传感器10来测量来自燃料电池堆的微分电流，可视化的放大来自燃料电池堆的噪声，并且如果电流微分信号中通常的噪声模式有任何变化，可能会触发有关电堆状态不正常的报警，进而通过对当前微分信号进行电堆故障分析，以得出有关单体电池的运行状态参数以及其他燃料电池堆参数。
综上，根据本实用新型实施例的检测组件100，通过设置电流微分传感器10测量出燃料电池堆的微分电流，一方面，通过电流微分传感器10测量微分电流可以反映更多的燃料电池堆状态信息，可以提高检测组件100的检测精度，并降低检测组件100的成本；另一方面，不仅电流微分传感器10的空间占用小，相较现有技术的成本更低，满足使用要求；而且无需对燃料电池堆的阻抗、单体电池的阻抗进行测量以绘制参考曲线，在满足检测精度的前提下，可以降低测量时间以及前期的测绘成本。
如图2和图3所示，根据本实用新型的一些实施例，电流微分传感器10构造为手工缠绕式传感器。
其中，电流微分传感器10包括：敷设管11以及绝缘电线12，绝缘电线12手工缠绕在敷设管11上。
具体而言，参照图4和图5所示，图4为通过电流传感器所车辆出来的电流变化图，图5为通过本实施例的电流微分传感器10测量出的di/dt图(即微分电流图)。由图知，当电流的幅值低至mA级时，电流变化图的谐波幅值变化太小，无法捕获，而微分电流图可以提高谐波幅值变化，从而可以提高数据捕获质量，以为谐波失真分析提供更多的数据，以提高检测精度。
进一步地，检测组件100还包括：电流传感器20以及电压表40，电流传感器20以及电压表40均与燃料电池堆电连接，电压表40与电流传感器20之间设置有第一开关50，电压表40与燃料电池堆之间设置有第二开关60。这样，可以根据使用要求，调整开关闭合状态，以进行电流采集以及电压采集。
在一些实施例中，电流传感器20与电压表40之间设置有保护电路，保护电路与第一开关50并联。
其中，保护电路包括：串联的第三开关70以及预充电电阻80。这样，通过设置保护电路，可以提高检测组件100的使用安全性。
下面，对本实施例的检测组件100的具体工作过程进行具体地描述。
1)电流微分传感器10车辆燃料电池堆输出的组合交流和直流电流的变化率(即微分电流)；
2)根据图5所述的优化后的燃料电池堆动态下的谐波畸变分析，捕获交流电信号较低的振幅；
3)傅里叶分析仪30获取更高精度的谐波，以提高谐波失真分析的精度。
综上，本实施例的检测组件100，只需要采集燃料电池的电压以及电流导数，整个功能均可以集成到燃料电池上，成本低、效益高，并可以提高数据采集精度。
根据本实用新型第二方面实施例的燃料电池包括：多个上述实施例中的检测组件100以及多个燃料电池堆，每个燃料电池堆上均对应设置有一个检测组件100。
根据本实用新型实施例的燃料电池，每一个燃料电池堆均设置检测组件100，可以实时检测燃料电池的运行状态，以提高燃料电池的工作稳定性。
可以理解的是，本实施例的检测组件100所提供的微分电流可以被电池控制器获取，以有效地应对紧急情况。
根据本实用新型第三方面实施例的车辆包括：上述实施例中的燃料电池。
根据本实用新型实施例的车辆，采用上述燃料电池，且燃料电池根据车辆的瞬态运行条件进行优化，并针对电子干扰以及噪声影响的稳健性进行了开发，使本实施例的车辆的使用安全性以及稳定性更高。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。
在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本实用新型的描述中，第一特征在第二特征“之上”或“之下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。
在本实用新型的描述中，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种燃料电池堆运行状态的检测组件(100)，其特征在于，包括：
电流微分传感器(10)，所述电流微分传感器(10)与所述燃料电池堆电连接，且适于读取所述燃料电池堆的电流并对所述电流进行求导；以及
傅里叶分析仪(30)，所述傅里叶分析仪(30)与所述电流微分传感器(10)电连接，且适于根据所述电流的微分进行谐波失真分析。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆运行状态的检测组件(100)，其特征在于，所述电流微分传感器(10)构造为手工缠绕式传感器。
3.根据权利要求2所述的燃料电池堆运行状态的检测组件(100)，其特征在于，所述电流微分传感器(10)包括：敷设管(11)以及绝缘电线(12)，所述绝缘电线(12)手工缠绕在所述敷设管(11)上。
4.根据权利要求1所述的燃料电池堆运行状态的检测组件(100)，其特征在于，所述检测组件(100)还包括：电流传感器(20)和电压表(40)，所述电流传感器(20)以及所述电压表(40)均与所述燃料电池堆电连接。
5.根据权利要求4所述的燃料电池堆运行状态的检测组件(100)，其特征在于，所述电压表(40)与所述电流传感器(20)之间设置有第一开关(50)。
6.根据权利要求4所述的燃料电池堆运行状态的检测组件(100)，其特征在于，所述电压表(40)与所述燃料电池堆之间设置有第二开关(60)。
7.根据权利要求5所述的燃料电池堆运行状态的检测组件(100)，其特征在于，所述电流传感器(20)与所述电压表(40)之间设置有保护电路，所述保护电路与所述第一开关(50)并联。
8.根据权利要求7所述的燃料电池堆运行状态的检测组件(100)，其特征在于，所述保护电路包括：串联的第三开关(70)以及预充电电阻(80)。
9.一种燃料电池，其特征在于，包括：
多个权利要求1-8中任一项所述的检测组件(100)；以及
多个燃料电池堆，每个所述燃料电池堆上均对应设置有一个所述检测组件(100)。
10.一种车辆，其特征在于，包括：权利要求9所述的燃料电池。
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