太空旅行是最早采用燃料電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)。從那時開始，燃料電池技術(shù)有了長足的進步，其應(yīng)用如今已遍及從筆記本電腦和 MP3播放器到混合動力汽車甚至建筑物等各個領(lǐng)域。隨著燃料電池的應(yīng)用不斷增多，設(shè)計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，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燃料電池主要用于汽車應(yīng)用中，電池堆中的每個電池單元可產(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燃料電池進行徹底的測試。

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其進行測試。因此，在能添加I/O點的模塊化平臺上構(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)該既能測量整個電池堆的電壓也能測量每個電池單元的電壓。電池堆的每個單元中，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程

要保證對整個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的能力。雖然每個電池單元產(chǎn)生的 電壓可能還不超過1V，但多個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，還具備更豐富的擴展功能。CompactRIO采用可伸縮設(shè)計，采用了一個開放的嵌入式 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。

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個差分通道，內(nèi)置一個16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于對電池堆進行測量。通過在底板上增加更多模塊，還可以輕松實現(xiàn)通道 數(shù)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(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，二者之間可達到10V的隔離。因此，NI 9206上兩組結(jié)構(gòu)(每組8個差分通道)間的壓差總共不能超過10V，但COM端子本身相對于地可以高達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的電池堆。此外，盡管該模塊對單個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。

當(dāng)被測電池單元電壓高于1.2V或測試電池堆的整體電壓時，需要更高的通道隔離。構(gòu)建這種測試系統(tǒng)的一種較受歡迎的選擇是PXI 或CompactPCI平臺，該技術(shù)結(jié)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通道只需在底板上的空插槽中插入額外一個模塊。而且，PXI平臺是一種開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在需要測量、控制和自動化的市場中 已經(jīng)得到快速采用。這些特點都使得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)卻可能將單個單元的測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)可以用來測試電壓高達500V的燃料電池堆。由于一個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個通道連接到一個單通道的數(shù)字萬用表中。構(gòu)建這樣的系統(tǒng)時，可以采用一組開關(guān)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。對于剩下的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300V的信號。電池堆中電壓高于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(gòu)建滿足自己特殊要求，并且可在將來根據(jù)需要擴展的測試系統(tǒng)。同時，由于PXI系統(tǒng)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(tǒng)的一部分。理想的測試系統(tǒng)既應(yīng)擁有模塊化的硬件，也應(yīng)具備可伸縮的系統(tǒng)級軟件。前面提到的DMM/開關(guān)方案 中包含幾個不同的硬件模塊，這會讓正常環(huán)境下的高效測試程序構(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所需進行的代碼修改，達到縮短開發(fā)時間和增大測試系統(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)不斷進步，社會對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為投資者們帶來很大的經(jīng)濟利益，也會幫助減 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(tǒng)，以滿足不斷變化的燃料電池測試需求 就變得十分重要。