構(gòu)建靈活的燃料電池測試系統(tǒng)

　　根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)的一項(xiàng)調(diào)查，亞洲與澳大利亞2004年用作能源的石油已達(dá)1.65萬億升。該調(diào)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 PXI技術(shù)開發(fā)出無線電接收機(jī)NI和阿波羅太空艙的電力系統(tǒng)提供能源。從那時(shí)開始，燃料電池技術(shù)有了長足的進(jìn)步，其應(yīng)用如今已遍及從筆記本電腦和MP3播放器到混合動(dòng)力汽車甚至建筑物等各個(gè)領(lǐng)域。隨著燃料電池的應(yīng)用不斷增多，設(shè)計(jì)工程師不但需要了解這種技術(shù)的原理，還應(yīng)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(gòu)建燃料電池測試系統(tǒng)的兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)：可伸縮性和隔離。

　　測試需求

　　燃料電池是一種設(shè)備，它能利用氫這種地球上最豐富的元素將化學(xué)能轉(zhuǎn)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(zhì)子通過但阻擋電子通過的特殊材料制成。PEM電池工作時(shí)，讓氫氣和氧氣分別通過陽極與陰極，從而產(chǎn)生電流。陽極發(fā)生接觸反應(yīng)將氫氣分解為質(zhì)子，這些質(zhì)子通過PEM到達(dá)陰極。電子不能穿透PEM，所以會(huì)沿著其周圍的一條電路到達(dá)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應(yīng)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(chǔ)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(yīng)，燃料電池就能一直提供能量。這種能夠持續(xù)產(chǎn)生能量的特點(diǎn)使燃料電池非常適合為汽車和建筑物提供能源。但有些要求能量來源十分可靠的應(yīng)用就需要在使用前對(duì)燃料電池進(jìn)行徹底的測試。

　　燃料電池是一種可伸縮、復(fù)雜度最低，卻能產(chǎn)生“很多電能”的系統(tǒng)。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(duì)其進(jìn)行測試。因此，在能添加I/O點(diǎn)的模塊化平臺(tái)上構(gòu)建燃料電池測試應(yīng)用就顯得至關(guān)重要。

　　除了應(yīng)具備模塊化和可伸縮的特性外，測試系統(tǒng)還應(yīng)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，氫氣和氧氣通過陽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(jiān)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(dá)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(duì)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程

　　要保證對(duì)整個(gè)電池堆電壓的測量可靠，就要求測試系統(tǒng)的通道-地之間有足夠的隔離度，而且系統(tǒng)擁有足夠的抑制共模信號(hào)的能力。雖然每個(gè)電池單元產(chǎn)生的電壓可能還不超過1V，但多個(gè)電池單元堆疊起來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(zhǔn)確體現(xiàn)燃料電池堆的特性，系統(tǒng)必須能在大共模電壓下(往往高達(dá)幾百伏)對(duì)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(tǒng)，這種系統(tǒng)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高速CAN連接能力，NI最新通信技術(shù)大展拳腳" target=_blank>CompactRIO等模塊化現(xiàn)成方案不但能提供這些特性，還具備更豐富的擴(kuò)展功能。CompactRIO采用可伸縮設(shè)計(jì)，采用了一個(gè)開放的嵌入式架構(gòu)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(dá)600V的共模電壓，兩組電池單元之間的隔離也可達(dá)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(nèi)置一個(gè)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于對(duì)電池堆進(jìn)行測量。通過在底板上增加更多模塊，還可以輕松實(shí)現(xiàn)通道數(shù)擴(kuò)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(jié)構(gòu)內(nèi)提供了600V的通道到地隔離。這兩組結(jié)構(gòu)采用相同的COM端子，二者之間可達(dá)到10V的隔離。因此，NI 9206上兩組結(jié)構(gòu)(每組8個(gè)差分通道)間的壓差總共不能超過10V，但COM端子本身相對(duì)于地可以高達(dá)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的電池堆。此外，盡管該模塊對(duì)單個(gè)電池單元測量而言十分理想，但它并不滿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。