采用合適的負(fù)載平臺測試燃料電池系統(tǒng)
設(shè)計(jì)精良的電子負(fù)載不是只為在實(shí)驗(yàn)室使用而設(shè)計(jì)的,應(yīng)該仔細(xì)進(jìn)行設(shè)計(jì)并制造,以測試實(shí)際的功率系統(tǒng)。對于必須在將要使用的真實(shí)環(huán)境下測試的軍用便攜式系統(tǒng),如燃料電池,情況正是如此。為應(yīng)對此挑戰(zhàn),電子負(fù)載可制作成便攜式裝置,能在野外采用電池組工作。電子負(fù)載也可以封裝為完全密封的設(shè)備,在苛刻的環(huán)境和其他環(huán)境危險(xiǎn)的場合下,如沙漠、垃圾或淤泥,不出現(xiàn)工作問題。使用這些設(shè)備,也不需要考慮維護(hù)或校準(zhǔn)問題(圖1)。
不過,用電子負(fù)載測試任何功率系統(tǒng)在之前,必須確定哪種電子負(fù)載最適合重建在其工作環(huán)境下可能遇到的情境。因?yàn)樨?fù)載類型不同,范圍很大,要了解每種類型的優(yōu)勢和弱勢,可能使選擇合適負(fù)載的難度幾乎與實(shí)際功率系統(tǒng)測試過程本身的難度一樣。
廣義上看,電子負(fù)載的分類有多種。例如,較老的標(biāo)準(zhǔn)晶體管型、較新的電子FET高功率型,還有最新、最可靠的電子負(fù)載型。后面這些類型是低電壓、低導(dǎo)通FET變種,非常適合測試基于電池和燃料電池的便攜式功率系統(tǒng)。
還有另外兩種負(fù)載應(yīng)該提到,其固有缺點(diǎn)也要提到。一種類型是基于陳舊的采用功率晶體管陣列的技術(shù),此技術(shù)成本相對低,精度有限。另一種類型即所謂的開關(guān)電子負(fù)載,這種類型不應(yīng)該用于對功率系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)載測試,因?yàn)樗鼤o待測設(shè)備帶來嚴(yán)重問題。不過,此特定負(fù)載類型有多個(gè)替代選項(xiàng),同時(shí),在最終選擇時(shí),還有幾個(gè)關(guān)鍵因素必須考慮。
電子負(fù)載概述
本質(zhì)上講,電子負(fù)載的作用相當(dāng)于恒流功率電阻,可以用某些外部控制信號,如模擬電壓,控制電流可調(diào)范圍。此特征消除了功率系統(tǒng)輸出電流的不確定性。因此,電子負(fù)載在測試期間能維持恒電流,只用一個(gè)功率電阻達(dá)到此目的是不可能的。這樣就簡化了功率系統(tǒng)輸出功率的計(jì)算,輸出功率實(shí)質(zhì)上成了功率系統(tǒng)輸出電壓的函數(shù)。這樣工作適合于電池大批量生產(chǎn)中的合格/不合格測試。不過,此應(yīng)用還要求負(fù)載能夠快速斜坡上升到需要的電流(圖2)。
對特定應(yīng)用選擇合適的負(fù)載可能是一項(xiàng)很復(fù)雜的過程,應(yīng)該盡可能精簡。例如,對燃料電池系統(tǒng),第一要求是了解電池電壓或燃料電池組電壓。其次,必須確定電池(或整個(gè)燃料電池組)電流。根據(jù)這兩個(gè)參數(shù),容易計(jì)算出燃料電池系統(tǒng)(或者其他任何便攜式功率系統(tǒng))的輸出功率。待測設(shè)備(UUT)的功率容量一旦知道了,適合測試的電子負(fù)載的范圍就能限定在此額定功率水平范圍。
幾乎所有的電子負(fù)載額定值都是室溫下(25 °C)的瓦數(shù)。如果要求不是在室溫下測試,則必須仔細(xì)研究電子負(fù)載的技術(shù)參數(shù),因?yàn)榇蠖鄶?shù)負(fù)載在更高溫度下都需要降級使用。
選擇負(fù)載時(shí)要考慮的下一個(gè)因素不像其第一印象那樣簡單:必須找出電子負(fù)載能承受的最小和最大電壓。隨著負(fù)載上所加電壓的降低,負(fù)載精確控制電流的能力也降低。很多電子負(fù)載可工作的低點(diǎn)電壓僅0.7 V左右(或甚至只有3 V)。低于此值后,負(fù)載可能工作不正常,甚至完全失效。
布線選擇
布線是電氣測試中一個(gè)重要的問題,應(yīng)該和負(fù)載選擇一起考慮。遺憾的是,很多工程師在測試高功率系統(tǒng),如能產(chǎn)生100 A~250 A電流的燃料電池時(shí),未能對此予以考慮。然而,布線和連接中的幾mΩ的電阻都可能會對電子負(fù)載兩端的最終電壓降產(chǎn)生巨大的影響(圖3)。
分流是一種測量大電流的常用且有效的方法,但是使用時(shí)必須非常細(xì)心。例如,測量100 A時(shí),0.001 V/A的分流將會產(chǎn)生0.1 V的電壓。不過,如果待測功率系統(tǒng)是在負(fù)載下僅能產(chǎn)生0.3 V的單燃料電池,則最高只能在負(fù)載兩端加0.2 V,布線上的電阻損耗單獨(dú)就能全部消耗此電壓。
因此,特別是對基于燃料電池的功率系統(tǒng),為精確測試功率系統(tǒng)在大電流下的情況,希望電子負(fù)載上的電壓盡可能高。
提升負(fù)載電壓
由于在燃料電池系統(tǒng)中,與電子負(fù)載的低電壓工作有關(guān)的困難很大,一種解決此缺點(diǎn)的方法是使用第二電源。此電源與待測功率系統(tǒng)(和電子負(fù)載)串聯(lián)。這樣提高了加在負(fù)載上的電壓,使其恢復(fù)到正常工作時(shí)要求的范圍。
不過,這種方法有其自身的缺點(diǎn),包括第二電源的電壓不穩(wěn)定性、電子負(fù)載的不穩(wěn)定性以及電氣噪聲(來自第二電源)的增加。其他缺點(diǎn)還有:UUT過熱、測試期間輸出電流高頻成分很小、UUT動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定以及UUT轉(zhuǎn)換速度減小。所有這些問題會破壞在測試平臺上使用第二電源的有效性。
例如,電源電壓和負(fù)載調(diào)節(jié)的不穩(wěn)定性可達(dá)數(shù)百mv(在某些情況下,甚至高于燃料電池組單節(jié)電池電壓)。如果用第二電源來抬高電壓,則經(jīng)常必須在輸出電流路徑上的多個(gè)點(diǎn)上采取一些電氣措施,以便正確評估UUT性能。
如果非得采用第二電源,則一定不能使用開關(guān)電源,因?yàn)殚_關(guān)電源會有標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備(如萬用表)無法探測到的噪聲和電流尖峰。
在用電子負(fù)載與第二電源結(jié)合測試UUT,如基于燃料電池的便攜式功率系統(tǒng)時(shí),電源電壓和負(fù)載調(diào)節(jié)是兩個(gè)最重要的考慮因素。
使用前,打算與電子負(fù)載串聯(lián)的電源的技術(shù)參數(shù)應(yīng)該單獨(dú)測量。這是由于下面這一令人遺憾的現(xiàn)實(shí)導(dǎo)致的,即數(shù)據(jù)表格中提供的技術(shù)參數(shù)會使電源的性能表面上看優(yōu)于在實(shí)際工作條件下的性能。
然而,可能還有一個(gè)問題與使用第二電源有關(guān)。錯(cuò)誤地連接第二電源的檢測線。這些檢測線的最初目的是對流過電源輸出線的大電流所產(chǎn)生的電壓降進(jìn)行分壓。因此,傳統(tǒng)的方法是直接將其連接到供電應(yīng)用的接口端(或者電源輸出線的終端)。
不過,對于第二電源和電氣負(fù)載一起使用的測試平臺結(jié)構(gòu),檢測線應(yīng)該直接連接到電源輸出端,而不是電源輸出線的末端(圖4)。這有助于穩(wěn)定電源,使其在測試燃料電池時(shí)發(fā)揮最佳性能。
將第二電源的檢測線連接到主輸出電流環(huán)的任意其他節(jié)點(diǎn),不可避免會導(dǎo)致功率系統(tǒng)測量讀數(shù)錯(cuò)誤。當(dāng)然,檢測線應(yīng)該盡可能短,充分遠(yuǎn)離任何明顯的電氣噪聲源。
然而,盡管這些措施效力有限,采用電源與電子負(fù)載串聯(lián)應(yīng)該只是最后的補(bǔ)救辦法。此外,使用此方法時(shí),應(yīng)該咨詢電源工程師。
電子負(fù)載屬性
電子負(fù)載的唯一最大的問題是漏電流,即無功電流,多少總是有一點(diǎn),可以在幾mA到數(shù)百mA,大多數(shù)制造商通常對其設(shè)備中的漏電流量不予規(guī)定。即使在漏電流似乎不是關(guān)鍵因素的情況下,從制造商處查尋此參數(shù)的測量數(shù)據(jù)總是穩(wěn)妥的。
實(shí)際中,漏電量可能隨測試條件的變化而改變。例如,漏電可隨所加的電壓的波動(dòng)而波動(dòng),使漏電流呈非線性。在某些情況下,電子負(fù)載中漏電流路徑上消耗的電流甚至隨通過主電流路徑抽取的電流數(shù)量的變化而變化。
溫度的不穩(wěn)定可能成為測試過程中的另一個(gè)問題的根源。良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣可以補(bǔ)充常識的不足,以避免進(jìn)入熱感應(yīng)引起的不穩(wěn)定或者失效模式。
功率器件越多,產(chǎn)生的漏電流越大,同時(shí)溫度不穩(wěn)定越大。因此,對給定的功率系統(tǒng)測試平臺,必須仔細(xì)選定電子負(fù)載的額定功率,達(dá)到最佳范圍,穩(wěn)定性最好。普遍認(rèn)可的經(jīng)驗(yàn)法則是使用功率容量比需要的大20%~50%的負(fù)載,以充分反映UUT的特性。
使用較早的負(fù)載設(shè)計(jì)的電子負(fù)載??赡苁菧y試功率系統(tǒng)時(shí)另一種麻煩的根源。與其更現(xiàn)代的版本一樣,這些部件通常通過功率晶體管耗散熱。長導(dǎo)線連接到待測設(shè)備時(shí),其穩(wěn)定性良好。不過,這種負(fù)載的轉(zhuǎn)換速度慢,使這些負(fù)載能承受的最小電壓限制在2.5 V左右。
加在負(fù)載兩端的低于此值的任何電壓通常會引起負(fù)載問題(或者,至少降低了流過負(fù)載的電流的控制精度)。因此,一定要采用單獨(dú)的儀器獨(dú)立檢測實(shí)際負(fù)載電流,以確保電子負(fù)載正確工作。
另一種類型的電子負(fù)載是場效應(yīng)晶體管(FET)型,其轉(zhuǎn)換速度更快,能工作在低得多的電壓下(包括測試燃料電池規(guī)定的0.3 V)。同時(shí),F(xiàn)ET型負(fù)載漏電流更低,工作溫度穩(wěn)定性更高,但其主要缺點(diǎn)是連接負(fù)載的長導(dǎo)線會產(chǎn)生不穩(wěn)定性或功率級FET的振蕩。即使FET常常造成輸出電路電容增加,但很多FET制造商還是會在負(fù)載內(nèi)布放附加輸出電容,以提高穩(wěn)定性。
還可能有很多問題與穩(wěn)定性有關(guān),在用軟件或硬件遠(yuǎn)程控制電子負(fù)載時(shí)可能出現(xiàn)。從負(fù)載到控制卡的地回路很可能給測試電路帶來不穩(wěn)定性。為了防止這種效應(yīng),最好的電子負(fù)載提供有電氣隔離級(或其他選項(xiàng))以遠(yuǎn)程控制電子負(fù)載。
對模擬控制方案,確認(rèn)電子負(fù)載的轉(zhuǎn)換速度能跟蹤控制電壓的轉(zhuǎn)換速度也是很重要的。雖然模擬控制方案的典型控制范圍是0 V~5 V或0 V~10 V,但在有些情況下輸入電壓不能控制電子負(fù)載的轉(zhuǎn)換速度。對這些部件,輸入與輸出之間的電壓-電流關(guān)系(幾乎總是線性的)僅用在負(fù)載的穩(wěn)態(tài)條件下。
在這些場合,電子負(fù)載通常工作在恒流模式。如果希望待測功率系統(tǒng)的輸出是恒壓或恒功率,那么控制測試臺的軟件或固件必須相應(yīng)調(diào)整電流。這樣就可能需要一個(gè)多功能數(shù)據(jù)采集控制卡,以充分監(jiān)控電子負(fù)載電路的適當(dāng)節(jié)點(diǎn)。
完成這種監(jiān)控和控制所需的算法可能相當(dāng)復(fù)雜。此外,如果用IEEE-488總線來遠(yuǎn)程監(jiān)控電子負(fù)載,此接口的發(fā)送與接收的等待時(shí)間會使任何類型的高速測試實(shí)際上都沒有用。
附加負(fù)載特點(diǎn)
雖然電壓和電流是計(jì)算電子負(fù)載功耗需要的基本參數(shù),但測試其他一些參數(shù)通常也是必要的。例如,知道電子負(fù)載的最小導(dǎo)通電阻常常很有好處,此參數(shù)表示負(fù)載兩端可能的最低電壓,以及負(fù)載可能承受的最大電流。
導(dǎo)通電阻還能反映有關(guān)電路阻抗的情況,電路阻抗可用來預(yù)測負(fù)載隨特殊功率系統(tǒng)的變化,如基本燃料電池組(通常,負(fù)載的導(dǎo)通電阻應(yīng)該約為燃料電池阻抗10%)。電子負(fù)載的導(dǎo)通電阻能反映的另一個(gè)情況是其對熱漂移的敏感性,熱漂移一般會增加導(dǎo)通電阻。
由于存在這么多挑戰(zhàn),對大多數(shù)功率系統(tǒng),特別是基于燃料電池或電池的便攜式軍用系統(tǒng),顯而易見,定制設(shè)計(jì)的電子負(fù)載將是最好的選擇。不過,工程師不應(yīng)該期望找到專用于燃料電池或電池綜合測試的現(xiàn)成負(fù)載。確切地講,為單電源系統(tǒng)開發(fā)多測試臺常常是軍用設(shè)計(jì)工程師的責(zé)任。為應(yīng)對此挑戰(zhàn),能夠得到定制模塊且每個(gè)模塊都有必需的電壓、電流、電阻和熱參數(shù),將是非常有益的。
Executive Engineering公司制造專用于此目的電子負(fù)載單元。每一個(gè)單元都是一個(gè)微型模塊,可以以不同的方式連接,以產(chǎn)生適應(yīng)任何工程需要的量身定做的電子負(fù)載。
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