構(gòu)建可伸縮的燃料電池測(cè)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(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)建燃料電池測(cè)試系統(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(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)建燃料電池測(cè)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(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(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。

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(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(cè)量。

測(cè)試方法

一種進(jìn)行燃料電池測(cè)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(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(cè)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(cè)量PEM這類單元電池測(cè)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(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。

當(dāng)被測(cè)電池單元電壓高于1.2V或測(cè)試電池堆的整體電壓時(shí)，需要更高的通道隔離。構(gòu)建這種測(cè)試系統(tǒng)的一種較受歡迎的選擇是PXI 或CompactPCI平臺(tái)，該技術(shù)結(jié)合了PCI的電子總線特性及CompactPCI堅(jiān)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(tái)是一種開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在需要測(cè)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(cè)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?yàn)槎阎休^低位置的電池單元)卻可能將單個(gè)單元的測(cè)量抬升到較高的電壓水平

NI的PXI開關(guān)和數(shù)字萬用表(DMM)可以用來測(cè)試電壓高達(dá)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(yīng)用就需要將大約500個(gè)通道連接到一個(gè)單通道的數(shù)字萬用表中。構(gòu)建這樣的系統(tǒng)時(shí)，可以采用一組開關(guān)模塊加一個(gè)NI PXI-4071 FlexDMM，用來測(cè)量電流和電壓。電池堆中前98個(gè)單元輸出的信號(hào)可以通過一個(gè)NI PXI-2575 98通道的差分復(fù)用器模塊送出來。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(hào)。對(duì)于剩下的202個(gè)電池單元(電壓可高達(dá)300V)，可使用7個(gè)32通道的差分復(fù)用器NI PXI-2527。由于PXI-2527的通道到地隔離度比較高，故可安全地開關(guān)高達(dá)300V的信號(hào)。電池堆中電壓高于300V的單元信號(hào)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，因而可用于在存在高共模電壓的情況下傳送這些1V的小信號(hào)。PXI平臺(tái)的靈活性，以及多種多樣的可選模塊，都讓測(cè)試工程師們能夠輕松構(gòu)建滿足自己特殊要求，并且可在將來根據(jù)需要擴(kuò)展的測(cè)試系統(tǒng)。同時(shí)，由于PXI系統(tǒng)比CompactRIO擁有高得多的通道間隔離(可高達(dá)300V)，因而也很適用于燃料電池的單元組測(cè)量。

然而，合適的硬件只是測(cè)試系統(tǒng)的一部分。理想的測(cè)試系統(tǒng)既應(yīng)擁有模塊化的硬件，也應(yīng)具備可伸縮的系統(tǒng)級(jí)軟件。前面提到的DMM/開關(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(cè)試程序構(gòu)建變得十分困難。NI的LabVIEW圖形編程軟件利用數(shù)據(jù)流編程的直觀性，為大多數(shù)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?qū)?configuration wizard)，通過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(dá)到縮短開發(fā)時(shí)間和增大測(cè)試系統(tǒng)靈活性的效果。

本文總結(jié)

隨著燃料電池領(lǐng)域的技術(shù)不斷進(jìn)步，社會(huì)對(duì)石油等稀缺自然資源的依賴必將降低。投資燃料電池不但會(huì)為投資者們帶來很大的經(jīng)濟(jì)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(duì)它的測(cè)試需求也必然增大。因此，研究模塊化可伸縮的測(cè)試系統(tǒng)，以滿足不斷變化的燃料電池測(cè)試需求就變得十分重要。

作者:Jaideep Jhangiani

行銷工程師

美國國家儀器公司