根據國際能源機構的一項調查，亞洲與澳大利亞2004年用作能源的石油已達1.65萬億升。該調查還顯示，自1990年(nian)起(qi)，石(shi)油(you)的(de)需(xu)求(qiu)量(liang)每(mei)年(nian)都(dou)在(zai)上(shang)升(sheng)，致(zhi)使(shi)這(zhe)種(zhong)已(yi)近(jin)枯(ku)竭(jie)的(de)自(zi)然(ran)資(zi)源(yuan)價(jia)格(ge)不(bu)斷(duan)攀(pan)升(sheng)。燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)作(zuo)為(wei)一(yi)種(zhong)替(ti)代(dai)能(neng)源(yuan)，有(you)望(wang)用(yong)於(yu)解(jie)決(jue)能(neng)源(yuan)緊(jin)張(zhang)的(de)問(wen)題(ti)。
太空旅行是最早采用燃料電池技術的產業。早在1960年初，通用電子公司製造的質子交換膜(PEM)燃料電池就曾為NASA的GemiNI PXI技術開發出無線電接收機NI和阿波羅太空艙的電力係統提供能源。從那時開始，燃料電池技術有了長足的進步，其應用如今已遍及從筆記本電腦和MP3播bo放fang器qi到dao混hun合he動dong力li汽qi車che甚shen至zhi建jian築zhu物wu等deng各ge個ge領ling域yu。隨sui著zhe燃ran料liao電dian池chi的de應ying用yong不bu斷duan增zeng多duo，設she計ji工gong程cheng師shi不bu但dan需xu要yao了le解jie這zhe種zhong技ji術shu的de原yuan理li，還hai應ying熟shu悉xi燃ran料liao電dian池chi堆dui(cell stack)的可靠性與功能性測試。本文主要介紹構建燃料電池測試係統的兩個主要標準：可伸縮性和隔離。
測試需求
燃料電池是一種設備，它能利用氫這種地球上最豐富的元素將化學能轉化為電能。PEM燃料電池(最常用的一種燃料電池)中，在多孔陽極(porous anode)與陰極之間有一層電解膜。這層電解膜由一種允許質子通過但阻擋電子通過的特殊材料製成。PEM電池工作時，讓氫氣和氧氣分別通過陽極與陰極，從而產生電流。陽極發生接觸反應將氫氣分解為質子，這些質子通過PEM到達陰極。電子不能穿透PEM，所以會沿著其周圍的一條電路到達陰極，這條電路中電子的移動就形成了電流。
PEM燃料電池主要用於汽車應用中，電池堆中的每個電池單元可產生1.1V到1.23V的(de)電(dian)壓(ya)。那(na)麼(me)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)與(yu)普(pu)通(tong)電(dian)池(chi)的(de)差(cha)異(yi)在(zai)何(he)處(chu)呢(ne)？普(pu)通(tong)電(dian)池(chi)隻(zhi)能(neng)存(cun)儲(chu)有(you)限(xian)的(de)電(dian)荷(he)，因(yin)而(er)使(shi)用(yong)時(shi)間(jian)有(you)限(xian)，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)卻(que)不(bu)同(tong)，隻(zhi)要(yao)保(bao)持(chi)恒(heng)定(ding)的(de)氫(qing)和(he)氧(yang)供(gong)應(ying)，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)就(jiu)能(neng)一(yi)直(zhi)提(ti)供(gong)能(neng)量(liang)。這(zhe)種(zhong)能(neng)夠(gou)持(chi)續(xu)產(chan)生(sheng)能(neng)量(liang)的(de)特(te)點(dian)使(shi)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)非(fei)常(chang)適(shi)合(he)為(wei)汽(qi)車(che)和(he)建(jian)築(zhu)物(wu)提(ti)供(gong)能(neng)源(yuan)。但(dan)有(you)些(xie)要(yao)求(qiu)能(neng)量(liang)來(lai)源(yuan)十(shi)分(fen)可(ke)靠(kao)的(de)應(ying)用(yong)就(jiu)需(xu)要(yao)在(zai)使(shi)用(yong)前(qian)對(dui)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)進(jin)行(xing)徹(che)底(di)的(de)測(ce)試(shi)。
燃料電池是一種可伸縮、複雜度最低，卻能產生“很多電能”的係統。燃料電池的靈活性也決定了，為保證安全、長期使用，需要有一種靈活的方法對其進行測試。因此，在能添加I/O點的模塊化平台上構建燃料電池測試應用就顯得至關重要。
除chu了le應ying具ju備bei模mo塊kuai化hua和he可ke伸shen縮suo的de特te性xing外wai，測ce試shi係xi統tong還hai應ying該gai既ji能neng測ce量liang整zheng個ge電dian池chi堆dui的de電dian壓ya也ye能neng測ce量liang每mei個ge電dian池chi單dan元yuan的de電dian壓ya。電dian池chi堆dui的de每mei個ge單dan元yuan中zhong，氫qing氣qi和he氧yang氣qi通tong過guo陽yang極ji和he陰yin極ji的de流liu速su都dou不bu同tong，因yin此ci每mei個ge單dan元yuan提ti供gong的de電dian壓ya也ye不bu同tong。於yu是shi，監jian測ce這zhe些xie電dian壓ya，從cong而er了le解jie每mei個ge單dan元yuan是shi否fou工gong作zuo正zheng常chang，以yi及ji控kong製zhi氣qi體ti流liu速su以yi達da到dao能neng源yuan產chan生sheng的de最zui佳jia狀zhuang態tai，這zhe些xie都dou十shi分fen重zhong要yao。除chu了le氣qi體ti流liu速su之zhi外wai，對dui燃ran料liao電dian池chi的de溫wen度du也ye必bi須xu加jia以yi控kong製zhi。以yiPEM燃料電池為例，60℃到80℃就是最佳工作溫度。
圖1：各種燃料電池的工作過程
要保證對整個電池堆電壓的測量可靠，就要求測試係統的通道-地之間有足夠的隔離度，而且係統擁有足夠的抑製共模信號的能力。雖然每個電池單元產生的電壓可能還不超過1V，但dan多duo個ge電dian池chi單dan元yuan堆dui疊die起qi來lai卻que可ke能neng輸shu出chu很hen高gao的de電dian壓ya和he電dian流liu。高gao性xing能neng的de電dian池chi堆dui中zhong往wang往wang包bao含han成cheng百bai上shang千qian個ge單dan元yuan。因yin此ci，要yao準zhun確que體ti現xian燃ran料liao電dian池chi堆dui的de特te性xing，係xi統tong必bi須xu能neng在zai大da共gong模mo電dian壓ya下xia(往往高達幾百伏)對小電壓進行多通道測量。
測試方法
一種進行燃料電池測試的方法是采用嵌入式可編程自動控製(PAC)係統，這種係統既能測量單元電池電壓，也能控製氣體流速和溫度等因素。NI的 CompactRIO高速CAN連接能力，NI最新通信技術大展拳腳" target=_blank>CompactRIO等模塊化現成方案不但能提供這些特性，還具備更豐富的擴展功能。CompactRIO采用可伸縮設計，采用了一個開放的嵌入式架構工業I/O模塊，具有小尺寸、極高耐用性以及可熱插拔的特點。
圖2：NI 9206能夠承受高達600V的共模電壓，兩組電池單元之間的隔離也可達10V
用於燃料電池的NI 9206 CompactRIO模擬輸入模塊配備了16個差分通道，內置一個16位模數轉換器用於對電池堆進行測量。通過在底板上增加更多模塊，還可以輕鬆實現通道數擴展。為了克服共模電壓引入的誤差，NI 9206在其每組8通道，共兩組的結構內提供了600V的通道到地隔離。這兩組結構采用相同的COM端子，二者之間可達到10V的隔離。因此，NI 9206上兩組結構(每組8個差分通道)間的壓差總共不能超過10V，但COM端子本身相對於地可以高達600V。所以NI 9206最適合測量PEM這類單元電池測量值不超過1.2V的(de)電(dian)池(chi)堆(dui)。此(ci)外(wai)，盡(jin)管(guan)該(gai)模(mo)塊(kuai)對(dui)單(dan)個(ge)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)測(ce)量(liang)而(er)言(yan)十(shi)分(fen)理(li)想(xiang)，但(dan)它(ta)並(bing)不(bu)滿(man)足(zu)測(ce)試(shi)一(yi)組(zu)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)或(huo)測(ce)量(liang)電(dian)池(chi)堆(dui)總(zong)電(dian)壓(ya)所(suo)需(xu)的(de)隔(ge)離(li)要(yao)求(qiu)。
當被測電池單元電壓高於1.2V或測試電池堆的整體電壓時，需要更高的通道隔離。構建這種測試係統的一種較受歡迎的選擇是PXI 或CompactPCI平台，該技術結合了PCI的電子總線特性及CompactPCI堅固的Eurocard封裝與專用的同步總線和軟件特性。PXI具有可伸縮特性，如果要增加I/O通道隻需在底板上的空插槽中插入額外一個模塊。而且，PXI平台是一種開放的工業標準，在需要測量、控製和自動化的市場中已經得到快速采用。這些特點都使得PXI很適合用於燃料電池測試。
圖3：燃料電池堆中各個電池單元的電壓可能隻有1V左右，但共模電壓(因為堆中較低位置的電池單元)卻可能將單個單元的測量抬升到較高的電壓水平
NI的PXI開關和數字萬用表(DMM)可以用來測試電壓高達500V的燃料電池堆。由於一個PEM燃料電池單元的典型電壓為1V，這樣的應用就需要將大約500個通道連接到一個單通道的數字萬用表中。構建這樣的係統時，可以采用一組開關模塊加一個NI PXI-4071 FlexDMM，用來測量電流和電壓。電池堆中前98個單元輸出的信號可以通過一個NI PXI-2575 98通道的差分複用器模塊送出來。由於該模塊耐壓為100V，因而不能用於傳送電池堆中高於該耐壓值的電池單元信號。對於剩下的202個電池單元(電壓可高達300V)，可使用7個32通道的差分複用器NI PXI-2527。由於PXI-2527的通道到地隔離度比較高，故可安全地開關高達300V的信號。電池堆中電壓高於300V的單元信號可通過11通道的600V差分多路器NI PXI-2584送至DMM。PXI-2584的通道到地隔離度為600V，因而可用於在存在高共模電壓的情況下傳送這些1V的小信號。PXI平(ping)台(tai)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)，以(yi)及(ji)多(duo)種(zhong)多(duo)樣(yang)的(de)可(ke)選(xuan)模(mo)塊(kuai)，都(dou)讓(rang)測(ce)試(shi)工(gong)程(cheng)師(shi)們(men)能(neng)夠(gou)輕(qing)鬆(song)構(gou)建(jian)滿(man)足(zu)自(zi)己(ji)特(te)殊(shu)要(yao)求(qiu)，並(bing)且(qie)可(ke)在(zai)將(jiang)來(lai)根(gen)據(ju)需(xu)要(yao)擴(kuo)展(zhan)的(de)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)。同(tong)時(shi)，由(you)於(yu)PXI係統比 CompactRIO擁有高得多的通道間隔離(可高達300V)，因而也很適用於燃料電池的單元組測量。
然而，合適的硬件隻是測試係統的一部分。理想的測試係統既應擁有模塊化的硬件，也應具備可伸縮的係統級軟件。前麵提到的DMM/開關方案中包含幾個不同的硬件模塊，這會讓正常環境下的高效測試程序構建變得十分困難。NI的LabVIEW圖形編程軟件利用數據流編程的直觀性，為大多數工程師解決了這一問題。此外，LabVIEW還為用戶提供了Express VI(虛擬儀器)形式的配置向導(configuration wizard)，通過最大程度地減少增加額外硬件時所需進行的代碼修改，達到縮短開發時間和增大測試係統靈活性的效果。
本文總結
suizheranliaodianchilingyudejishubuduanjinbu，shehuiduishiyoudengxiqueziranziyuandeyilaibijiangjiangdi。touziranliaodianchibudanhuiweitouzizhemendailaihendadejingjiliyi，yehuibangzhujianshaowuranhewenshiqitidepaifang。erranliaodianchizhizaoxuqiuyidanzengjia，duitadeceshixuqiuyebiranzengda。yinci，yanjiumokuaihuakeshensuodeceshixitong，yimanzubuduanbianhuaderanliaodianchiceshixuqiujiubiandeshifenzhongyao。
2026-04-23 23:37:57
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