可伸缩的燃料电池测试系统

太空旅行是最早采用燃料电池技术的产业。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