采用合适的负载平台测试燃料电池系统

设计精良的电子负载不是只为在实验室使用而设计的，应该仔细进行设计并制造，以测试实际的功率系统。对于必须在将要使用的真实环境下测试的军用便携式系统，如燃料电池，情况正是如此。为应对此挑战，电子负载可制作成便携式装置，能在野外采用电池组工作。电子负载也可以封装为完全密封的设备，在苛刻的环境和其他环境危险的场合下，如沙漠、垃圾或淤泥，不出现工作问题。使用这些设备，也不需要考虑维护或校准问题(图1)。

不过，用电子负载测试任何功率系统在之前，必须确定哪种电子负载最适合重建在其工作环境下可能遇到的情境。因为负载类型不同，范围很大，要了解每种类型的优势和弱势，可能使选择合适负载的难度几乎与实际功率系统测试过程本身的难度一样。

广义上看，电子负载的分类有多种。例如，较老的标准晶体管型、较新的电子FET高功率型，还有最新、最可靠的电子负载型。后面这些类型是低电压、低导通FET变种，非常适合测试基于电池和燃料电池的便携式功率系统。



还有另外两种负载应该提到，其固有缺点也要提到。一种类型是基于陈旧的采用功率晶体管阵列的技术，此技术成本相对低，精度有限。另一种类型即所谓的开关电子负载，这种类型不应该用于对功率系统进行负载测试，因为它会给待测设备带来严重问题。不过，此特定负载类型有多个替代选项，同时，在最终选择时，还有几个关键因素必须考虑。

电子负载概述

本质上讲，电子负载的作用相当于恒流功率电阻，可以用某些外部控制信号，如模拟电压，控制电流可调范围。此特征消除了功率系统输出电流的不确定性。因此，电子负载在测试期间能维持恒电流，只用一个功率电阻达到此目的是不可能的。这样就简化了功率系统输出功率的计算，输出功率实质上成了功率系统输出电压的函数。这样工作适合于电池大批量生产中的合格/不合格测试。不过，此应用还要求负载能够快速斜坡上升到需要的电流(图2)。



对特定应用选择合适的负载可能是一项很复杂的过程，应该尽可能精简。例如，对燃料电池系统，第一要求是了解电池电压或燃料电池组电压。其次，必须确定电池(或整个燃料电池组)电流。根据这两个参数，容易计算出燃料电池系统(或者其他任何便携式功率系统)的输出功率。待测设备(UUT)的功率容量一旦知道了，适合测试的电子负载的范围就能限定在此额定功率水平范围。

几乎所有的电子负载额定值都是室温下(25 °C)的瓦数。如果要求不是在室温下测试，则必须仔细研究电子负载的技术参数，因为大多数负载在更高温度下都需要降级使用。

选择负载时要考虑的下一个因素不像其第一印象那样简单：必须找出电子负载能承受的最小和最大电压。随着负载上所加电压的降低，负载精确控制电流的能力也降低。很多电子负载可工作的低点电压仅0.7 V左右(或甚至只有3 V)。低于此值后，负载可能工作不正常，甚至完全失效。

布线选择

布线是电气测试中一个重要的问题，应该和负载选择一起考虑。遗憾的是，很多工程师在测试高功率系统，如能产生100 A～250 A电流的燃料电池时，未能对此予以考虑。然而，布线和连接中的几mΩ的电阻都可能会对电子负载两端的最终电压降产生巨大的影响(图3)。

分流是一种测量大电流的常用且有效的方法，但是使用时必须非常细心。例如，测量100 A时，0.001 V/A的分流将会产生0.1 V的电压。不过，如果待测功率系统是在负载下仅能产生0.3 V的单燃料电池，则最高只能在负载两端加0.2 V，布线上的电阻损耗单独就能全部消耗此电压。

因此，特别是对基于燃料电池的功率系统，为精确测试功率系统在大电流下的情况，希望电子负载上的电压尽可能高。



提升负载电压

由于在燃料电池系统中，与电子负载的低电压工作有关的困难很大，一种解决此缺点的方法是使用第二电源。此电源与待测功率系统(和电子负载)串联。这样提高了加在负载上的电压，使其恢复到正常工作时要求的范围。

不过，这种方法有其自身的缺点，包括第二电源的电压不稳定性、电子负载的不稳定性以及电气噪声(来自第二电源)的增加。其他缺点还有：UUT过热、测试期间输出电流高频成分很小、UUT动态不稳定以及UUT转换速度减小。所有这些问题会破坏在测试平台上使用第二电源的有效性。

例如，电源电压和负载调节的不稳定性可达数百mv(在某些情况下，甚至高于燃料电池组单节电池电压)。如果用第二电源来抬高电压，则经常必须在输出电流路径上的多个点上采取一些电气措施，以便正确评估UUT性能。

如果非得采用第二电源，则一定不能使用开关电源，因为开关电源会有标准测试设备(如万用表)无法探测到的噪声和电流尖峰。

在用电子负载与第二电源结合测试UUT，如基于燃料电池的便携式功率系统时，电源电压和负载调节是两个最重要的考虑因素。

使用前，打算与电子负载串联的电源的技术参数应该单独测量。这是由于下面这一令人遗憾的现实导致的，即数据表格中提供的技术参数会使电源的性能表面上看优于在实际工作条件下的性能。

然而，可能还有一个问题与使用第二电源有关。错误地连接第二电源的检测线。这些检测线的最初目的是对流过电源输出线的大电流所产生的电压降进行分压。因此，传统的方法是直接将其连接到供电应用的接口端(或者电源输出线的终端)。

不过，对于第二电源和电气负载一起使用的测试平台结构，检测线应该直接连接到电源输出端，而不是电源输出线的末端(图4)。这有助于稳定电源，使其在测试燃料电池时发挥最佳性能。



将第二电源的检测线连接到主输出电流环的任意其他节点，不可避免会导致功率系统测量读数错误。当然，检测线应该尽可能短，充分远离任何明显的电气噪声源。

然而，尽管这些措施效力有限，采用电源与电子负载串联应该只是最后的补救办法。此外，使用此方法时，应该咨询电源工程师。