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。
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，danduogedianchidanyuanduidieqilaiquekenengshuchuhengaodedianyahedianliu。gaoxingnengdedianchiduizhongwangwangbaohanchengbaishangqiangedanyuan。yinci，yaozhunquetixianranliaodianchiduidetexing，xitongbixunengzaidagongmodianyaxia(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。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。
2026-04-12 18:42:09
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