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。
除chu了le應ying具ju備bei模mo塊kuai化hua和he可ke伸shen縮suo的de特te性xing外wai，測ce試shi係xi統tong還hai應ying該gai既ji能neng測ce量liang整zheng個ge電dian池chi堆dui的de電dian壓ya也ye能neng測ce量liang每mei個ge電dian池chi單dan元yuan的de電dian壓ya。電dian池chi堆dui的de每mei個ge單dan元yuan中zhong，氫qing氣qi和he氧yang氣qi通tong過guo陽yang極ji和he陰yin極ji的de流liu速su都dou不bu同tong，因yin此ci每mei個ge單dan元yuan提ti供gong的de電dian壓ya也ye不bu同tong。於yu是shi，監jian測ce這zhe些xie電dian壓ya，從cong而er了le解jie每mei個ge單dan元yuan是shi否fou工gong作zuo正zheng常chang
，以yi及ji控kong製zhi氣qi體ti流liu速su以yi達da到dao能neng源yuan產chan生sheng的de最zui佳jia狀zhuang態tai，這zhe些xie都dou十shi分fen重zhong要yao。除chu了le氣qi體ti流liu速su之zhi外wai


，對dui燃ran料liao電dian池chi的de溫wen度du也ye必bi須xu加jia以yi控kong製zhi。以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。PXIpingtaidelinghuoxing，yijiduozhongduoyangdekexuanmokuai
，dourangceshigongchengshimennenggouqingsonggoujianmanzuzijiteshuyaoqiu，bingqiekezaijianglaigenjuxuyaokuozhandeceshixitong。tongshi
，youyuPXI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。

suizheranliaodianchilingyudejishubuduanjinbu，shehuiduishiyoudengxiqueziranziyuandeyilaibijiangjiangdi。touziranliaodianchibudanhuiweitouzizhemendailaihendadejingjiliyi
，yehuibangzhujianshaowuranhewenshiqitidepaifang。erranliaodianchizhizaoxuqiuyidanzengjia，duitadeceshixuqiuyebiranzengda。yinci，yanjiumokuaihuakeshensuodeceshixitong
，yimanzubuduanbianhuaderanliaodianchiceshixuqiujiubiandeshifenzhongyao。