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構(gòu)建靈活的燃料電池測(cè)試系統(tǒng)

作者: 時(shí)間:2012-07-04 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  根據(jù)國(guó)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(wàn)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(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 PXI技術(shù)開(kāi)發(fā)出無(wú)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(kāi)始,燃料電池技術(shù)有了長(zhǎng)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(chē)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(cè)試。本文主要介紹構(gòu)建系統(tǒng)的兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn):可伸縮性和隔離。

  測(cè)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(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(yīng)將氫氣分解為質(zhì)子,這些質(zhì)子通過(guò)PEM到達(dá)陰極。電子不能穿透PEM,所以會(huì)沿著其周?chē)囊粭l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(chē)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(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(yīng)用就需要在使用前對(duì)燃料電池進(jìn)行徹底的測(cè)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(zhǎng)期使用,需要有一種靈活的方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。因此,在能添加I/O點(diǎn)的模塊化平臺(tái)上構(gòu)建應(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(cè)試系統(tǒng)還應(yīng)該既能測(cè)量整個(gè)電池堆的電壓也能測(cè)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(jiān)測(cè)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。

各種燃料電池的工作過(guò)程
圖1:各種燃料電池的工作過(guò)程

  要保證對(duì)整個(gè)電池堆電壓的測(cè)量可靠,就要求測(cè)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(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(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(cè)量。

  測(cè)試方法

  一種進(jìn)行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(cè)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(kāi)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(cè)量。通過(guò)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(guò)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(cè)量PEM這類單元電池測(cè)量值不超過(guò)1.2V的電池堆。此外,盡管該模塊對(duì)單個(gè)電池單元測(cè)量而言十分理想,但它并不滿足測(cè)試一組電池單元或測(cè)量電池堆總電壓所需的隔離要求。


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