构建可伸缩的燃料电池测试系统

根据国际能源机构的一项调查，亚洲与澳大利亚2004年用作能源的石油已达1.65万亿升。该调查还显示，自1990年起，石油的需求量每年都在上升，致使这种已近枯竭的自然资源价格不断攀升。燃料电池作为一种替代能源，有望用于解决能源紧张的问题。
太空旅行是最早采用燃料电池技术的产业。早在1960年初，通用电子公司制造的质子交换膜(PEM)燃料电池就曾为NASA的Gemini和阿波罗太空舱的电力系统提供能源。从那时开始，燃料电池技术有了长足的进步，其应用如今已遍及从笔记本电脑和MP3播放器到混合动力汽车甚至建筑物等各个领域。随着燃料电池的应用不断增多，设计工程师不但需要了解这种技术的原理，还应熟悉燃料电池堆(cell stack)的可靠性与功能性测试。本文主要介绍构建燃料电池测试系统的两个主要标准：可伸缩性和隔离。
测试需求
燃料电池是一种设备，它能利用氢这种地球上最丰富的元素将化学能转化为电能。PEM燃料电池(最常用的一种燃料电池)中，在多孔阳极(porous anode)与阴极之间有一层电解膜。这层电解膜由一种允许质子通过但阻挡电子通过的特殊材料制成。PEM电池工作时，让氢气和氧气分别通过阳极与阴极，从而产生电流。阳极发生接触反应将氢气分解为质子，这些质子通过PEM到达阴极。电子不能穿透PEM，所以会沿着其周围的一条电路到达阴极，这条电路中电子的移动就形成了电流。
PEM燃料电池主要用于汽车应用中，电池堆中的每个电池单元可产生1.1V到1.23V的电压。那么燃料电池与普通电池的差异在何处呢？普通电池只能存储有限的电荷，因而使用时间有限，燃料电池却不同，只要保持恒定的氢和氧供应，燃料电池就能一直提供能量。这种能够持续产生能量的特点使燃料电池非常适合为汽车和建筑物提供能源。但有些要求能量来源十分可靠的应用就需要在使用前对燃料电池进行彻底的测试。
燃料电池是一种可伸缩、复杂度最低，却能产生“很多电能”的系统。燃料电池的灵活性也决定了，为保证安全、长期使用，需要有一种灵活的方法对其进行测试。因此，在能添加I/O点的模块化平台上构建燃料电池测试应用就显得至关重要。
除了应具备模块化和可伸缩的特性外，测试系统还应该既能测量整个电池堆的电压也能测量每个电池单元的电压。电池堆的每个单元中，氢气和氧气通过阳极和阴极的流速都不同，因此每个单元提供的电压也不同。于是，监测这些电压，从而了解每个单元是否工作正常，以及控制气体流速以达到能源产生的最佳状态，这些都十分重要。除了气体流速之外，对燃料电池的温度也必须加以控制。以PEM燃料电池为例，60℃到80℃就是最佳工作温度。

图1：各种燃料电池的工作过程
要保证对整个电池堆电压的测量可靠，就要求测试系统的通道-地之间有足够的隔离度，而且系统拥有足够的抑制共模信号的能力。虽然每个电池单元产生的电压可能还不超过1V，但多个电池单元堆叠起来却可能输出很高的电压和电流。高性能的电池堆中往往包含成百上千个单元。因此，要准确体现燃料电池堆的特性，系统必须能在大共模电压下(往往高达几百伏)对小电压进行多通道测量。
测试方法
一种进行燃料电池测试的方法是采用嵌入式可编程自动控制(PAC)系统，这种系统既能测量单元电池电压，也能控制气体流速和温度等因素。NI的CompactRIO等模块化现成方案不但能提供这些特性，还具备更丰富的扩展功能。CompactRIO采用可伸缩设计，采用了一个开放的嵌入式架构工业I/O模块，具有小尺寸、极高耐用性以及可热插拔的特点。

图2：NI 9206能够承受高达600V的共模电压，两组电池单元之间的隔离也可达10V
用于燃料电池的NI 9206 CompactRIO模拟输入模块配备了16个差分通道，内置一个16位模数转换器用于对电池堆进行测量。通过在底板上增加更多模块，还可以轻松实现通道数扩展。为了克服共模电压引入的误差，NI 9206在其每组8通道，共两组的结构内提供了600V的通道到地隔离。这两组结构采用相同的COM端子，二者之间可达到10V的隔离。因此，NI 9206上两组结构(每组8个差分通道)间的压差总共不能超过10V，但COM端子本身相对于地可以高达600V。所以NI 9206最适合测量PEM这类单元电池测量值不超过1.2V的电池堆。此外，尽管该模块对单个电池单元测量而言十分理想，但它并不满足测试一组电池单元或测量电池堆总电压所需的隔离要求。
当被测电池单元电压高于1.2V或测试电池堆的整体电压时，需要更高的通道隔离。构建这种测试系统的一种较受欢迎的选择是PXI 或CompactPCI平台，该技术结合了PCI的电子总线特性及CompactPCI坚固的Eurocard封装与专用的同步总线和软件特性。PXI具有可伸缩特性，如果要增加I/O通道只需在底板上的空插槽中插入额外一个模块。而且，PXI平台是一种开放的工业标准，在需要测量、控制和自动化的市场中已经得到快速采用。这些特点都使得PXI很适合用于燃料电池测试。

图3：燃料电池堆中各个电池单元的电压可能只有1V左右，但共模电压(因为堆中较低位置的电池单元)却可能将单个单元的测量抬升到较高的电压水平
NI的PXI开关和数字万用表(DMM)可以用来测试电压高达500V的燃料电池堆。由于一个PEM燃料电池单元的典型电压为1V，这样的应用就需要将大约500个通道连接到一个单通道的数字万用表中。构建这样的系统时，可以采用一组开关模块加一个NI PXI-4071 FlexDMM，用来测量电流和电压。电池堆中前98个单元输出的信号可以通过一个NI PXI-2575 98通道的差分复用器模块送出来。由于该模块耐压为100V，因而不能用于传送电池堆中高于该耐压值的电池单元信号。对于剩下的202个电池单元(电压可高达300V)，可使用7个32通道的差分复用器NI PXI-2527。由于PXI-2527的通道到地隔离度比较高，故可安全地开关高达300V的信号。电池堆中电压高于300V的单元信号可通过11通道的600V差分多路器NI PXI-2584送至DMM。PXI-2584的通道到地隔离度为600V，因而可用于在存在高共模电压的情况下传送这些1V的小信号。PXI平台的灵活性，以及多种多样的可选模块，都让测试工程师们能够轻松构建满足自己特殊要求，并且可在将来根据需要扩展的测试系统。同时，由于PXI系统比CompactRIO拥有高得多的通道间隔离(可高达300V)，因而也很适用于燃料电池的单元组测量。
然而，合适的硬件只是测试系统的一部分。理想的测试系统既应拥有模块化的硬件，也应具备可伸缩的系统级软件。前面提到的DMM/开关方案中包含几个不同的硬件模块，这会让正常环境下的高效测试程序构建变得十分困难。NI的LabVIEW图形编程软件利用数据流编程的直观性，为大多数工程师解决了这一问题。此外，LabVIEW还为用户提供了Express VI(虚拟仪器)形式的配置向导(configuration wizard)，通过最大程度地减少增加额外硬件时所需进行的代码修改，达到缩短开发时间和增大测试系统灵活性的效果。
本文总结
随着燃料电池领域的技术不断进步，社会对石油等稀缺自然资源的依赖必将降低。投资燃料电池不但会为投资者们带来很大的经济利益，也会帮助减少污染和温室气体的排放。而燃料电池制造需求一旦增加，对它的测试需求也必然增大。因此，研究模块化可伸缩的测试系统，以满足不断变化的燃料电池测试需求就变得十分重要。