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。 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(yi)PEM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。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yuPXI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。