構建靈活的燃料電池測試係統

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MP3bofangqidaohunhedongliqicheshenzhijianzhuwudenggegelingyu。suizheranliaodianchideyingyongbuduanzengduo，shejigongchengshibudanxuyaolejiezhezhongjishudeyuanli，haiyingshuxiranliaodianchidui(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。 chuleyingjubeimokuaihuahekeshensuodetexingwai，ceshixitonghaiyinggaijinengceliangzhenggedianchiduidedianyayenengceliangmeigedianchidanyuandedianya。dianchiduidemeigedanyuanzhong，qingqiheyangqitongguoyangjiheyinjideliusudoubutong，yincimeigedanyuantigongdedianyayebutong。yushi，jiancezhexiedianya
，congerlejiemeigedanyuanshifougongzuozhengchang，yijikongzhiqitiliusuyidadaonengyuanchanshengdezuijiazhuangtai，zhexiedoushifenzhongyao。chuleqitiliusuzhiwai，duiranliaodianchidewenduyebixujiayikongzhi。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。

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。

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。PXIpingtaidelinghuoxing，yijiduozhongduoyangdekexuanmokuai，dourangceshigongchengshimennenggouqingsonggoujianmanzuzijiteshuyaoqiu，bingqiekezaijianglaigenjuxuyaokuozhandeceshixitong。tongshi，youyuPXI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

隨(sui)著(zhe)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)領(ling)域(yu)的(de)技(ji)術(shu)不(bu)斷(duan)進(jin)步(bu)，社(she)會(hui)對(dui)石(shi)油(you)等(deng)稀(xi)缺(que)自(zi)然(ran)資(zi)源(yuan)的(de)依(yi)賴(lai)必(bi)將(jiang)降(jiang)低(di)。投(tou)資(zi)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)不(bu)但(dan)會(hui)為(wei)投(tou)資(zi)者(zhe)們(men)帶(dai)來(lai)很(hen)大(da)的(de)經(jing)濟(ji)利(li)益(yi)，也(ye)會(hui)幫(bang)助(zhu)減(jian)少(shao)汙(wu)染(ran)和(he)溫(wen)室(shi)氣(qi)體(ti)的(de)排(pai)放(fang)。而(er)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)製(zhi)造(zao)需(xu)求(qiu)一(yi)旦(dan)增(zeng)加(jia)，對(dui)它(ta)的(de)測(ce)試(shi)需(xu)求(qiu)也(ye)必(bi)然(ran)增(zeng)大(da)。因(yin)此(ci)，研(yan)究(jiu)模(mo)塊(kuai)化(hua)可(ke)伸(shen)縮(suo)的(de)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)
，以(yi)滿(man)足(zu)不(bu)斷(duan)變(bian)化(hua)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)測(ce)試(shi)需(xu)求(qiu)就(jiu)變(bian)得(de)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)。