[发明专利]一种车用燃料电池电堆状态监控系统

说明书

本发明公开了一种车用燃料电池电堆状态监控系统，包括信号处理模块，集成单电池电压巡检、输出电流监测、温度场监测和冲击信号监测等功能，并能够对所采集信号进行数据处理、储存、分析和传输，信号处理模块具有外置辅助供电和电堆供电两种供电模式，在电堆正常启动运行时，信号处理模块从电堆直接得到供电，并使电堆同时对外置辅助电源进行浮充，电堆停止工作或出现异常情况下，可以由外置辅助电源进行辅助供电；信号处理模块具有双端口输出方式，能够以CAN端口与上位的主控机进行数据通讯，同时以485端口与外置PC机进行数据通讯进行电堆性能评估和故障诊断。

技术领域

本发明涉及一种车用燃料电池电堆状态监控系统，主要应用于车用燃料电池电堆总成设计、研发、评估及燃料电池车运行控制，属于电池监控技术领域。

背景技术

燃料电池是一种新一代的能源系统，通过特殊的反应过程，可以将化学能通直接转化为电能。其中，目前主流的质子交换膜型燃料电池体系（Proton Exchange MembraneFuel Cell, PEMFC），由于在常温下（<100℃）就可以采用氢气为燃料气，与空气中的氧气反应产生电能，而产物仅为纯净的水，绿色环保并具有高能量/功率密度，已经成为了未来新能源汽车，分布式能源系统和电网架构的理想解决方案。

由于化学反应热力学限制，以2H₂+O₂→2H₂O为反应原理的氢燃料电池的工作电压仅为0.7 V，如果以单体电池的形式，很难满足各种用电器的电压需要。因此，在实际应用中，会采用将电池串联的方法，将单体燃料电池装叠成为电堆以提高工作电压。比如日本丰田公司的Mirai氢燃料电池汽车采用了高达370片单体电池进行堆叠，经过升压变频器升压后电压可达到650V，发电总功率可达114 kW。在这种串联型的电堆体系中，对于单体电池的一致性要求很高，一旦某片单体电池的工作状态出现异常，比如由于电池内部膜电极失水或者水淹，电堆外部物理冲击，或者电池温度大幅变化等状况，导致其输出电压/电流发生很大变化，会对整个电堆造成不可逆转的损害，严重时甚至会导致整个电堆烧毁报废。因此，燃料电池电堆在工作状态下，通常都需要有全面的电池状态监控系统，当电堆出现异常状况时，能够发送相应的报警信号至报警模块，协助电堆辅助系统如燃料气进口阀、排气阀、水泵等进行相应的处理。

在目前主流的燃料电池电堆状态监测方案中，普遍采用的是检测其单体电池电压的方法，通过监测单体电池的电压变化，来判断电池堆中每个发电单元的工作状态。如发明名称为“燃料电池电压监视系统及其方法”(申请号为02814901.7，公开日为2004年10月6日)的中国专利申请中公开了一种燃料电池电压监视系统及监视方法，发明名称为“一种燃料电池监控系统”（申请号为CN201310249181.7）也采用MAX809J芯片监控单体电池的终端电压，实现对燃料电池整体工作状态的监控。但是，我们需要指出的是，作为对燃料电池电堆工作状态的整体评估系统，仅仅监测其单体电池的电压是完全不够的。车用电堆往往会在十分复杂的工况下进行工作，比如在极度寒冷的地区启动，在高度崎岖的山路行驶，爬陡坡，连续高强度行驶等等。在这些复杂的状况下，电堆监控系统非常需要对电堆整体的输出电流，电堆本身温度场以及电堆在移动过程中承受的振动/冲击进行全方位的监测和评估，以能够在多种状况下准确判断电堆实际的工作状态，确保电堆安全、高效的运行。

发明内容

本发明的目的即在于开发一种车用燃料电池电堆状态监控系统，使其能够通过对电堆单电池电压、输出电流、内部温度场以及承受物理振动/冲击情况的实时监测，以能够准确，高效的判断车用电堆的真实工作情况，并能够通过与上位机的交互，完成电堆运行信息的传输、分析、评估等任务。

本发明所采用的技术方案为：