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其進(jìn)行測試。因此，在能添加I/O點(diǎn)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(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。
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圖1：各種燃料電池的工作過程 |
要保證對整個(gè)電池堆電壓的測量可靠，就要求測試系統(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(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(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)。
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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。
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(shí)，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(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(diǎn)都使得PXI很適合用于燃料電池測試。
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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(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。對于剩下的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。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(kuò)展的測試系統(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(gè)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(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(jì)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。