基于可伸縮的燃料電池的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用于燃料電池的NI 9206 CompactRIO模擬輸入模塊配備了16個(gè)差分通道，內(nèi)置一個(gè)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于對(duì)電池堆進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)在底板上增加更多模塊，還可以輕松實(shí)現(xiàn)通道 數(shù)擴(kuò)展。為了克服共模電壓引入的誤差，NI 9206在其每組8通道，共兩組的結(jié)構(gòu)內(nèi)提供了600V的通道到地隔離。這兩組結(jié)構(gòu)采用相同的COM端子，二者之間可達(dá)到10V的隔離。因此，NI 9206上兩組結(jié)構(gòu)(每組8個(gè)差分通道)間的壓差總共不能超過(guò)10V，但COM端子本身相對(duì)于地可以高達(dá)600V。所以NI 9206最適合測(cè)量PEM這類單元電池測(cè)量值不超過(guò)1.2V的電池堆。此外，盡管該模塊對(duì)單個(gè)電池單元測(cè)量而言十分理想，但它并不滿足測(cè)試一組電池單元或 測(cè)量電池堆總電壓所需的隔離要求。

當(dāng)被測(cè)電池單元電壓高于1.2V或測(cè)試電池堆的整體電壓時(shí)，需要更高的通道隔離。構(gòu)建這種測(cè)試系統(tǒng)的一種較受歡迎的選擇是PXI 或CompactPCI平臺(tái)，該技術(shù)結(jié)合了PCI的電子總線特性及CompactPCI堅(jiān)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通道只需在底板上的空插槽中插入額外一個(gè)模塊。而且，PXI平臺(tái)是一種開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在需要測(cè)量、控制和自動(dòng)化的市場(chǎng)中 已經(jīng)得到快速采用。這些特點(diǎn)都使得PXI很適合用于燃料電池測(cè)試。

圖3：燃料電池堆中各個(gè)電池單元的電壓可能只有1V左右，但共模電壓(因?yàn)槎阎休^低位置的電池單元)卻可能將單個(gè)單元的測(cè)量抬升到較高的電壓水平

NI的PXI開關(guān)和數(shù)字萬(wàn)用表(DMM)可以用來(lái)測(cè)試電壓高達(dá)500V的燃料電池堆。由于一個(gè)PEM燃料電池單元的典型電壓為1V，這樣的應(yīng)用就需 要將大約500個(gè)通道連接到一個(gè)單通道的數(shù)字萬(wàn)用表中。構(gòu)建這樣的系統(tǒng)時(shí)，可以采用一組開關(guān)模塊加一個(gè)NI PXI-4071 FlexDMM，用來(lái)測(cè)量電流和電壓。電池堆中前98個(gè)單元輸出的信號(hào)可以通過(guò)一個(gè)NI PXI-2575 98通道的差分復(fù)用器模塊送出來(lái)。由于該模塊耐壓為100V，因而不能用于傳送電池堆中高于該耐壓值的電池單元信號(hào)。對(duì)于剩下的202個(gè)電池單元(電壓可 高達(dá)300V)，可使用7個(gè)32通道的差分復(fù)用器NI PXI-2527。由于PXI-2527的通道到地隔離度比較高，故可安全地開關(guān)高達(dá)300V的信號(hào)。電池堆中電壓高于300V的單元信號(hào)可通過(guò)11通道 的600V差分多路器NI PXI-2584送至DMM。PXI-2584的通道到地隔離度為600V，因而可用于在存在高共模電壓的情況下傳送這些1V的小信號(hào)。PXI平臺(tái)的靈活 性，以及多種多樣的可選模塊，都讓測(cè)試工程師們能夠輕松構(gòu)建滿足自己特殊要求，并且可在將來(lái)根據(jù)需要擴(kuò)展的測(cè)試系統(tǒng)。同時(shí)，由于PXI系統(tǒng)比 CompactRIO擁有高得多的通道間隔離(可高達(dá)300V)，因而也很適用于燃料電池的單元組測(cè)量。

然而，合適的硬件只是測(cè)試系統(tǒng)的一部分。理想的測(cè)試系統(tǒng)既應(yīng)擁有模塊化的硬件，也應(yīng)具備可伸縮的系統(tǒng)級(jí)軟件。前面提到的DMM/開關(guān)方案 中包含幾個(gè)不同的硬件模塊，這會(huì)讓正常環(huán)境下的高效測(cè)試程序構(gòu)建變得十分困難。NI的LabVIEW圖形編程軟件利用數(shù)據(jù)流編程的直觀性，為大多數(shù)工程師 解決了這一問(wèn)題。此外，LabVIEW還為用戶提供了Express VI(虛擬儀器)形式的配置向?qū)?configuration wizard)，通過(guò)最大程度地減少增加額外硬件時(shí)所需進(jìn)行的代碼修改，達(dá)到縮短開發(fā)時(shí)間和增大測(cè)試系統(tǒng)靈活性的效果。

本文總結(jié)

隨著燃料電池領(lǐng)域的技術(shù)不斷進(jìn)步，社會(huì)對(duì)石油等稀缺自然資源的依賴必將降低。投資燃料電池不但會(huì)為投資者們帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)利益，也會(huì)幫助減 少污染和溫室氣體的排放。而燃料電池制造需求一旦增加，對(duì)它的測(cè)試需求也必然增大。因此，研究模塊化可伸縮的測(cè)試系統(tǒng)，以滿足不斷變化的燃料電池測(cè)試需求 就變得十分重要。