中心議題：

• 燃料電池的測試需求
• 燃料電池的測試方法

解決方案：

• 測量單元電池電壓
• 控製氣體流速和溫度等因素
• 具備可伸縮的係統級軟件

太空旅行是最早采用燃料電池技術的產業。從那時開始，燃料電池技術有了長足的進步，其應用如今已遍及從筆記本電腦和MP3播(bo)放(fang)器(qi)到(dao)混(hun)合(he)動(dong)力(li)汽(qi)車(che)甚(shen)至(zhi)建(jian)築(zhu)物(wu)等(deng)各(ge)個(ge)領(ling)域(yu)。隨(sui)著(zhe)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)應(ying)用(yong)不(bu)斷(duan)增(zeng)多(duo)

，設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)不(bu)但(dan)需(xu)要(yao)了(le)解(jie)這(zhe)種(zhong)技(ji)術(shu)的(de)原(yuan)理(li)，還(hai)應(ying)熟(shu)悉(xi)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)堆(dui)(cellstack)的可靠性與功能性測試。本文主要介紹構建燃料電池測試係統的兩個主要標準：可伸縮性和隔離。

測試需求

燃料電池是一種設備
，它能利用氫這種地球上最豐富的元素將化學能轉化為電能。PEM燃料電池(最常用的一種燃料電池)中

，在多孔陽極(porousanode)與陰極之間有一層電解膜。這層電解膜由一種允許質子通過但阻擋電子通過的特殊材料製成。PEM電池工作時
，讓氫氣和氧氣分別通過陽極與陰極，從而產生電流。陽極發生接觸反應將氫氣分解為質子，這些質子通過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燃料電池主要用於汽車應用中，電池堆中的每個電池單元可產生1.1V到1.23V的(de)電(dian)壓(ya)。那(na)麼(me)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)與(yu)普(pu)通(tong)電(dian)池(chi)的(de)差(cha)異(yi)在(zai)何(he)處(chu)呢(ne)？普(pu)通(tong)電(dian)池(chi)隻(zhi)能(neng)存(cun)儲(chu)有(you)限(xian)的(de)電(dian)荷(he)，因(yin)而(er)使(shi)用(yong)時(shi)間(jian)有(you)限(xian)，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)卻(que)不(bu)同(tong)，隻(zhi)要(yao)保(bao)持(chi)恒(heng)定(ding)的(de)氫(qing)和(he)氧(yang)供(gong)應(ying)
，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)就(jiu)能(neng)一(yi)直(zhi)提(ti)供(gong)能(neng)量(liang)。這(zhe)種(zhong)能(neng)夠(gou)持(chi)續(xu)產(chan)生(sheng)能(neng)量(liang)的(de)特(te)點(dian)使(shi)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)非(fei)常(chang)適(shi)合(he)為(wei)汽(qi)車(che)和(he)建(jian)築(zhu)物(wu)提(ti)供(gong)能(neng)源(yuan)。但(dan)有(you)些(xie)要(yao)求(qiu)能(neng)量(liang)來(lai)源(yuan)十(shi)分(fen)可(ke)靠(kao)的(de)應(ying)用(yong)就(jiu)需(xu)要(yao)在(zai)使(shi)用(yong)前(qian)對(dui)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)進(jin)行(xing)徹(che)底(di)的(de)測(ce)試(shi)。

燃料電池是一種可伸縮、複雜度最低，卻能產生“很多電能”的係統。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點的模塊化平台上構建燃料電池測試應用就顯得至關重要。
chuleyingjubeimokuaihuahekeshensuodetexingwai，ceshixitonghaiyinggaijinengceliangzhenggedianchiduidedianyayenengceliangmeigedianchidanyuandedianya。dianchiduidemeigedanyuanzhong，qingqiheyangqitongguoyangjiheyinjideliusudoubutong，yincimeigedanyuantigongdedianyayebutong。yushi，jiancezhexiedianya，congerlejiemeigedanyuanshifougongzuozhengchang，yijikongzhiqitiliusuyidadaonengyuanchanshengdezuijiazhuangtai，zhexiedoushifenzhongyao。chuleqitiliusuzhiwai，duiranliaodianchidewenduyebixujiayikongzhi。yiPEM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[page]

要保證對整個電池堆電壓的測量可靠

，就要求測試係統的通道-地之間有足夠的隔離度，而且係統擁有足夠的抑製共模信號的能力。雖然每個電池單元產生的電壓可能還不超過1V
，但dan多duo個ge電dian池chi單dan元yuan堆dui疊die起qi來lai卻que可ke能neng輸shu出chu很hen高gao的de電dian壓ya和he電dian流liu。高gao性xing能neng的de電dian池chi堆dui中zhong往wang往wang包bao含han成cheng百bai上shang千qian個ge單dan元yuan。因yin此ci，要yao準zhun確que體ti現xian燃ran料liao電dian池chi堆dui的de特te性xing，係xi統tong必bi須xu能neng在zai大da共gong模mo電dian壓ya下xia(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製(PAC)係統，這種係統既能測量單元電池電壓
，也能控製氣體流速和溫度等因素。NI的CompactRIO等模塊化現成方案不但能提供這些特性，還具備更豐富的擴展功能。CompactRIO采用可伸縮設計
，采用了一個開放的嵌入式架構工業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：NI9206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

用於燃料電池的NI9206CompactRIO模擬輸入模塊配備了16個差分通道
，內置一個16位模數轉換器用於對電池堆進行測量。通過在底板上增加更多模塊，還可以輕鬆實現通道數擴展。為了克服共模電壓引入的誤差，NI9206在其每組8通道，共兩組的結構內提供了600V的通道到地隔離。這兩組結構采用相同的COM端子，二者之間可達到10V的隔離。因此，NI9206上兩組結構(每組8個差分通道)間的壓差總共不能超過10V，但COM端子本身相對於地可以高達600V。所以NI9206最適合測量PEM這類單元電池測量值不超過1.2V的(de)電(dian)池(chi)堆(dui)。此(ci)外(wai)
，盡(jin)管(guan)該(gai)模(mo)塊(kuai)對(dui)單(dan)個(ge)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)測(ce)量(liang)而(er)言(yan)十(shi)分(fen)理(li)想(xiang)

，但(dan)它(ta)並(bing)不(bu)滿(man)足(zu)測(ce)試(shi)一(yi)組(zu)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)或(huo)測(ce)量(liang)電(dian)池(chi)堆(dui)總(zong)電(dian)壓(ya)所(suo)需(xu)的(de)隔(ge)離(li)要(yao)求(qiu)。
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當被測電池單元電壓高於1.2V或測試電池堆的整體電壓時

，需要更高的通道隔離。構建這種測試係統的一種較受歡迎的選擇是PXI或CompactPCI平台，該技術結合了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通道隻需在底板上的空插槽中插入額外一個模塊。而且，PXI平台是一種開放的工業標準
，在需要測量


、控製和自動化的市場中已經得到快速采用。這些特點都使得PXI很適合用於燃料電池測試。


圖3：燃料電池堆中各個電池單元的電壓可能隻有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開關和數字萬用表(DMM)可以用來測試電壓高達500V的燃料電池堆。由於一個PEM燃料電池單元的典型電壓為1V，這樣的應用就需要將大約500個通道連接到一個單通道的數字萬用表中。構建這樣的係統時，可以采用一組開關模塊加一個NIPXI-4071FlexDMM，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NIPXI-257598通道的差分複用器模塊送出來。由於該模塊耐壓為100V

，因而不能用於傳送電池堆中高於該耐壓值的電池單元信號。對於剩下的202個電池單元(電壓可高達300V)，可使用7個32通道的差分複用器NIPXI-2527。

由於PXI-2527的通道到地隔離度比較高，故可安全地開關高達300V的信號。電池堆中電壓高於300V的單元信號可通過11通道的600V差分多路器NIPXI-2584送至DMM。PXI-2584的通道到地隔離度為600V，因而可用於在存在高共模電壓的情況下傳送這些1V的小信號。PXI平(ping)台(tai)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)，以(yi)及(ji)多(duo)種(zhong)多(duo)樣(yang)的(de)可(ke)選(xuan)模(mo)塊(kuai)，都(dou)讓(rang)測(ce)試(shi)工(gong)程(cheng)師(shi)們(men)能(neng)夠(gou)輕(qing)鬆(song)構(gou)建(jian)滿(man)足(zu)自(zi)己(ji)特(te)殊(shu)要(yao)求(qiu)，並(bing)且(qie)可(ke)在(zai)將(jiang)來(lai)根(gen)據(ju)需(xu)要(yao)擴(kuo)展(zhan)的(de)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)。同(tong)時(shi)，由(you)於(yu)PXI係統比CompactRIO擁有高得多的通道間隔離(可高達300V)
，因而也很適用於燃料電池的單元組測量。

然而，合適的硬件隻是測試係統的一部分。理想的測試係統既應擁有模塊化的硬件，也應具備可伸縮的係統級軟件。前麵提到的DMM/開關方案中包含幾個不同的硬件模塊，這會讓正常環境下的高效測試程序構建變得十分困難。NI的LabVIEW圖形編程軟件利用數據流編程的直觀性，為大多數工程師解決了這一問題。此外，LabVIEW還為用戶提供了ExpressVI(虛擬儀器)形式的配置向導(configurationwizard)
，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
，達到縮短開發時間和增大測試係統靈活性的效果。

隨(sui)著(zhe)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)領(ling)域(yu)的(de)技(ji)術(shu)不(bu)斷(duan)進(jin)步(bu)，社(she)會(hui)對(dui)石(shi)油(you)等(deng)稀(xi)缺(que)自(zi)然(ran)資(zi)源(yuan)的(de)依(yi)賴(lai)必(bi)將(jiang)降(jiang)低(di)。投(tou)資(zi)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)不(bu)但(dan)會(hui)為(wei)投(tou)資(zi)者(zhe)們(men)帶(dai)來(lai)很(hen)大(da)的(de)經(jing)濟(ji)利(li)益(yi)
，也(ye)會(hui)幫(bang)助(zhu)減(jian)少(shao)汙(wu)染(ran)和(he)溫(wen)室(shi)氣(qi)體(ti)的(de)排(pai)放(fang)。而(er)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)製(zhi)造(zao)需(xu)求(qiu)一(yi)旦(dan)增(zeng)加(jia)，對(dui)它(ta)的(de)測(ce)試(shi)需(xu)求(qiu)也(ye)必(bi)然(ran)增(zeng)大(da)。因(yin)此(ci)
，研(yan)究(jiu)模(mo)塊(kuai)化(hua)可(ke)伸(shen)縮(suo)的(de)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)，以(yi)滿(man)足(zu)不(bu)斷(duan)變(bian)化(hua)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)測(ce)試(shi)需(xu)求(qiu)就(jiu)變(bian)得(de)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)。