構建可伸縮的燃料電池測試系統

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(wàn)億升。該調查還顯示，自1990年起，石油的需求量每年都在上升，致使這種已近枯竭的自然資源價(jià)格不斷攀升。燃料電池作為一種替代能源，有望用于解決能源緊張的問(wèn)題。

太空旅行是最早采用燃料電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)。早在1960年初，通用電子公司制造的質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池就曾為NASA的Gemini和阿波羅太空艙的電力系統提供能源。從那時(shí)開(kāi)始，燃料電池技術(shù)有了長(cháng)足的進(jìn)步，其應用如今已遍及從筆記本電腦和MP3播放器到混合動(dòng)力汽車(chē)甚至建筑物等各個(gè)領(lǐng)域。隨著(zhù)燃料電池的應用不斷增多，設計工程師不但需要了解這種技術(shù)的原理，還應熟悉燃料電池堆(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系統的兩個(gè)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(xué)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(yáng)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(zhì)子通過(guò)但阻擋電子通過(guò)的特殊材料制成。PEM電池工作時(shí)，讓氫氣和氧氣分別通過(guò)陽(yáng)極與陰極，從而產(chǎn)生電流。陽(yáng)極發(fā)生接觸反應將氫氣分解為質(zhì)子，這些質(zhì)子通過(guò)PEM到達陰極。電子不能穿透PEM，所以會(huì )沿著(zhù)其周?chē)囊粭l電路到達陰極，這條電路中電子的移動(dòng)就形成了電流。

PEM燃料電池主要用于汽車(chē)應用中，電池堆中的每個(gè)電池單元可產(chǎn)生1.1V到1.23V的電壓。那么燃料電池與普通電池的差異在何處呢？普通電池只能存儲有限的電荷，因而使用時(shí)間有限，燃料電池卻不同，只要保持恒定的氫和氧供應，燃料電池就能一直提供能量。這種能夠持續產(chǎn)生能量的特點(diǎn)使燃料電池非常適合為汽車(chē)和建筑物提供能源。但有些要求能量來(lái)源十分可靠的應用就需要在使用前對燃料電池進(jìn)行徹底的測試。

燃料電池是一種可伸縮、復雜度最低，卻能產(chǎn)生“很多電能”的系統。燃料電池的靈活性也決定了，為保證安全、長(cháng)期使用，需要有一種靈活的方法對其進(jìn)行測試。因此，在能添加I/O點(diǎn)的模塊化平臺上構建燃料電池測試應用就顯得至關(guān)重要。

除了應具備模塊化和可伸縮的特性外，測試系統還應該既能測量整個(gè)電池堆的電壓也能測量每個(gè)電池單元的電壓。電池堆的每個(gè)單元中，氫氣和氧氣通過(guò)陽(yáng)極和陰極的流速都不同，因此每個(gè)單元提供的電壓也不同。于是，監測這些電壓，從而了解每個(gè)單元是否工作正常，以及控制氣體流速以達到能源產(chǎn)生的最佳狀態(tài)，這些都十分重要。除了氣體流速之外，對燃料電池的溫度也必須加以控制。以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(guò)程

要保證對整個(gè)電池堆電壓的測量可靠，就要求測試系統的通道-地之間有足夠的隔離度，而且系統擁有足夠的抑制共模信號的能力。雖然每個(gè)電池單元產(chǎn)生的電壓可能還不超過(guò)1V，但多個(gè)電池單元堆疊起來(lái)卻可能輸出很高的電壓和電流。高性能的電池堆中往往包含成百上千個(gè)單元。因此，要準確體現燃料電池堆的特性，系統必須能在大共模電壓下(往往高達幾百伏)對小電壓進(jìn)行多通道測量。

測試方法

一種進(jìn)行燃料電池測試的方法是采用嵌入式可編程自動(dòng)控制(PAC)系統，這種系統既能測量單元電池電壓，也能控制氣體流速和溫度等因素。NI的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(gè)開(kāi)放的嵌入式架構工業(yè)I/O模塊，具有小尺寸、極高耐用性以及可熱插拔的特點(diǎn)。

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

用于燃料電池的NI 9206 CompactRIO模擬輸入模塊配備了16個(gè)差分通道，內置一個(gè)16位模數轉換器用于對電池堆進(jìn)行測量。通過(guò)在底板上增加更多模塊，還可以輕松實(shí)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(gè)差分通道)間的壓差總共不能超過(guò)10V，但COM端子本身相對于地可以高達600V。所以NI 9206最適合測量PEM這類(lèi)單元電池測量值不超過(guò)1.2V的電池堆。此外，盡管該模塊對單個(gè)電池單元測量而言十分理想，但它并不滿(mǎn)足測試一組電池單元或測量電池堆總電壓所需的隔離要求。

當被測電池單元電壓高于1.2V或測試電池堆的整體電壓時(shí)，需要更高的通道隔離。構建這種測試系統的一種較受歡迎的選擇是PXI 或CompactPCI平臺，該技術(shù)結合了PCI的電子總線(xiàn)特性及CompactPCI堅固的Eurocard封裝與專(zhuān)用的同步總線(xiàn)和軟件特性。PXI具有可伸縮特性，如果要增加I/O通道只需在底板上的空插槽中插入額外一個(gè)模塊。而且，PXI平臺是一種開(kāi)放的工業(yè)標準，在需要測量、控制和自動(dòng)化的市場(chǎng)中已經(jīng)得到快速采用。這些特點(diǎn)都使得PXI很適合用于燃料電池測試。

圖3：燃料電池堆中各個(gè)電池單元的電壓可能只有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(gè)單元的測量抬升到較高的電壓水平

NI的PXI開(kāi)關(guān)和數字萬(wàn)用表(DMM)可以用來(lái)測試電壓高達500V的燃料電池堆。由于一個(gè)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(gè)通道連接到一個(gè)單通道的數字萬(wàn)用表中。構建這樣的系統時(shí)，可以采用一組開(kāi)關(guān)模塊加一個(gè)NI PXI-4071 FlexDMM，用來(lái)測量電流和電壓。電池堆中前98個(gè)單元輸出的信號可以通過(guò)一個(gè)NI PXI-2575 98通道的差分復用器模塊送出來(lái)。由于該模塊耐壓為100V，因而不能用于傳送電池堆中高于該耐壓值的電池單元信號。對于剩下的202個(gè)電池單元(電壓可高達300V)，可使用7個(gè)32通道的差分復用器NI PXI-2527。由于PXI-2527的通道到地隔離度比較高，故可安全地開(kāi)關(guān)高達300V的信號。電池堆中電壓高于300V的單元信號可通過(guò)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，因而可用于在存在高共模電壓的情況下傳送這些1V的小信號。PXI平臺的靈活性，以及多種多樣的可選模塊，都讓測試工程師們能夠輕松構建滿(mǎn)足自己特殊要求，并且可在將來(lái)根據需要擴展的測試系統。同時(shí)，由于PXI系統比CompactRIO擁有高得多的通道間隔離(可高達300V)，因而也很適用于燃料電池的單元組測量。

然而，合適的硬件只是測試系統的一部分。理想的測試系統既應擁有模塊化的硬件，也應具備可伸縮的系統級軟件。前面提到的DMM/開(kāi)關(guān)方案中包含幾個(gè)不同的硬件模塊，這會(huì )讓正常環(huán)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(guān)性，為大多數工程師解決了這一問(wèn)題。此外，LabVIEW還為用戶(hù)提供了Express VI(虛擬儀器)形式的配置向導(configuration wizard)，通過(guò)最大程度地減少增加額外硬件時(shí)所需進(jìn)行的代碼修改，達到縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間和增大測試系統靈活性的效果。

本文總結

隨著(zhù)燃料電池領(lǐng)域的技術(shù)不斷進(jìn)步，社會(huì )對石油等稀缺自然資源的依賴(lài)必將降低。投資燃料電池不但會(huì )為投資者們帶來(lái)很大的經(jīng)濟利益，也會(huì )幫助減少污染和溫室氣體的排放。而燃料電池制造需求一旦增加，對它的測試需求也必然增大。因此，研究模塊化可伸縮的測試系統，以滿(mǎn)足不斷變化的燃料電池測試需求就變得十分重要。

作者:Jaideep Jhangiani

行銷(xiāo)工程師

美國國家儀器公司