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測試與測量  

建構靈活的燃料電池測試系統

上網時間: 2006年09月29日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:fuel cell  燃料電池  oil  石油  PEM 

根據國際能源機構的一項調查,亞洲與澳洲在2004年用作於能源的石油已達1.65兆公升。該調查還顯示,自1990年起,石油的需求量每年都在上升,致使這種已近枯竭的自然資源價格不斷上漲。作為一種替代能源,燃料電池可望用於解決能源緊張的問題。

太空旅行是最早採用燃料電池技術的產業。早在1960年初,通用電子製造的質子交換膜(PEM)燃料電池就曾為NASA的GemiNI和阿波羅太空艙的電力系統提供能源。從那時開始,燃料電池技術取得了長足進步,其應用如今已遍及從筆記型電腦和MP3播放器到混合動力汽車甚至建築物等各個領域。隨著燃料電池的應用不斷增多,設計工程師不但需要瞭解這種技術的原理,還應熟悉燃料電池堆(cell stack)的可靠性與功能性測試。本文主要介紹建構燃料電池測試系統的兩個主要標準: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(porous anode)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,因而產生電流。陽極產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,這條電路中電子的行動就形成了電流。

PEM燃料電池主要針對汽車應用,電池堆中的每個電池單元可產生1.1V到1.23V的電壓。那麼燃料電池與普通電池的差異在何處呢?普通電池僅儲存有限的電荷,因而使用時間有限,燃料電池卻不同,只要保持?定的氫和氧供應,燃料電池就能一直提供能量。這種能夠持續產生能量的特點使燃料電池非常適合為汽車和建築物提供能源。但有些要求能量來源十分可靠的應用就必須在使用前對燃料電池進行徹底的測試。

燃料電池是一種可伸縮、複雜度最低,卻能產生‘很多電能’的系統。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點的模組化平台上建構燃料電池測試應用就顯得至關重要。

除了應具備模組化和可伸縮特性外,測試系統還應該既能測量整個電池堆的電壓也能測量每個電池單元的電壓。電池堆的每個單元中,氫氣和氧氣通過陽極和陰極的流速都不同,因此每個單元提供的電壓也不同。於是,監測這些電壓,因而瞭解每個單元是否工作正常,以及控制氣體流速以達到能源產生的最佳狀態都十分重要。除了氣體流速,對燃料電池的溫度也必須加以控制。以PEM燃料電池為例,60℃到80℃就是最佳工作溫度。

要保證對整個電池堆電壓可靠測量,需要求測試系統的通道-地之間有足夠的隔離度,而且系統擁有足夠的共模訊號抑制能力。雖然每個電池單元產生的電壓可能還不超過1V,但多個電池單元堆疊起來卻可能輸出很高的電壓和電流。高性能的電池堆中往往包含成千上百個單元。因此,要準確展現燃料電池堆的特性,系統必須能在大共模電壓下(往往高達幾百伏)對小電壓進行多通道測量。


圖1:各種燃料電池的工作過程

測試方法

一種進行燃料電池測試的方法是採用嵌入式可程式自動控制(PAC)系統,這種系統既能測量單元電池電壓,也能控制氣體流速和溫度等因素。NI的CompactRIO等模組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採用可伸縮設計,採用了一個開放的嵌入式架構產業I/O模組,具有小尺寸、極高耐用性以及可熱插拔的特點。

用於燃料電池的NI 9206 CompactRIO類比輸入模組配備了16個差分通道,內建一個16位元類比數位轉換器用於對電池堆進行測量。透過在底板上增加更多模組,還可以輕鬆擴展通道數。為了克服共模電壓導入的誤差,NI 9206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。這兩組結構採用相同的COM端子,二者之間可達到10V的隔離。因此,NI 9206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NI 9206最適合測量PEM這類單元電池測量值不超過1.2V的電池堆。此外,儘管該模組對單個電池單元測量而言十分理想,但它並不滿足測試一組電池單元或測量電池堆總電壓所需的隔離要求。

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。建構這種測試系統的一種選擇是PXI或CompactPCI平台,該技術結合了PCI的電子匯流排特性及CompactPCI堅固的Eurocard封裝與專用的同步匯流排和軟體特性。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模組。而且,PXI平台是一種開放的產業標準,在需要測量、控制和自動化的市場中已經得到快速採用。這些特點都使得PXI很適合用於燃料電池測試。


圖2:NI 9206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

NI的PXI開關和數位萬用表(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位萬用表中。建構這樣的系統時,可以採用一組開關模組加一個NI PXI-4071 FlexDMM,用來測量電流和電壓。電池堆中前98個單元輸出的訊號可以透過一個NI PXI-2575 98通道的差分多工器模組送出。由於該模組耐壓為100V,因而不能用於傳送電池堆中高於該耐壓值的電池單元訊號。對於剩下的202個電池單元(電壓可高達300V),可使用7個32通道的差分多工器NI PXI-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的訊號。電池堆中電壓高於300V的單元訊號可透過11通道的600V差分多工器NI PXI-2584送至DMM。PXI-2584的通道到地隔離度為600V,因而適用於在存在高共模電壓的情況下傳送這些1V的小訊號。由於PXI系統比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,合適的硬體只是測試系統的一部份。理想的測試系統既應擁有模組化的硬體,也應具備可伸縮的系統級軟體。前面提到的DMM/開關方案中包含幾個不同的硬體模組,這會讓正常環境下的高效測試程式建構變得十分困難。NI的LabVIEW圖形程式軟體利用數據流程式的直觀性,為大多數工程師解決了這一問題。此外,LabVIEW還為用戶提供了Express VI(虛擬儀器)形式的配置精靈,透過最大程度地減少增加額外硬體時所需進行的程式碼修改,達到縮短開發時間和增大測試系統靈活性的效果。


圖3:燃料電池堆中各個電池單元的電壓可能只有1V左右,但共模電壓卻可能將單個單元的測量提升到較高的電壓水準。

本文總結

隨著燃料電池領域的技術不斷進步,社會對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為投資者們帶來很大的經濟利益,也會幫助減少污染和溫室氣體的排放。而燃料電池製造需求一旦增加,對它的測試需求也必然增大。因此,研究模組化可伸縮的測試系統,以滿足不斷變化的燃料電池測試需求就變得十分重要。

作者:Jaideep Jhangiani

行銷工程師

美商國家儀器




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