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MP3bofangqidaohunhedongliqicheshenzhijianzhuwudenggegelingyu。suizheranliaodianchideyingyongbuduanzengduo，shejigongchengshibudanxuyaolejiezhezhongjishudeyuanli，haiyingshuxiranliaodianchidui(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1.23Vdedianya。nameranliaodianchiyuputongdianchidechayizaihechune？putongdianchizhinengcunchuyouxiandedianhe，yinershiyongshijianyouxian，ranliaodianchiquebutong，zhiyaobaochihengdingdeqingheyanggongying，ranliaodianchijiunengyizhitigongnengliang。zhezhongnenggouchixuchanshengnengliangdetedianshiranliaodianchifeichangshiheweiqichehejianzhuwutigongnengyuan。danyouxieyaoqiunenglianglaiyuanshifenkekaodeyingyongjiuxuyaozaishiyongqianduiranliaodianchijinxingchedideceshi。

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1.2Vdedianchidui。ciwai
，jinguangaimokuaiduidangedianchidanyuanceliangeryanshifenlixiang
，dantabingbumanzuceshiyizudianchidanyuanhuoceliangdianchiduizongdianyasuoxudegeliyaoqiu。
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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)。