基于可伸缩的燃料电池的测试系统设计

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

NI的PXI开关和数字万用表(DMM)可以用来测试电压高达500V的燃料电池堆。由于一个PEM燃料电池单元的典型电压为1V，这样的应用就需 要将大约500个通道连接到一个单通道的数字万用表中。构建这样的系统时，可以采用一组开关模块加一个NI PXI-4071 FlexDMM，用来测量电流和电压。电池堆中前98个单元输出的信号可以通过一个NI PXI-2575 98通道的差分复用器模块送出来。由于该模块耐压为100V，因而不能用于传送电池堆中高于该耐压值的电池单元信号。对于剩下的202个电池单元(电压可 高达300V)，可使用7个32通道的差分复用器NI PXI-2527。由于PXI-2527的通道到地隔离度比较高，故可安全地开关高达300V的信号。电池堆中电压高于300V的单元信号可通过11通道 的600V差分多路器NI PXI-2584送至DMM。PXI-2584的通道到地隔离度为600V，因而可用于在存在高共模电压的情况下传送这些1V的小信号。PXI平台的灵活 性，以及多种多样的可选模块，都让测试工程师们能够轻松构建满足自己特殊要求，并且可在将来根据需要扩展的测试系统。同时，由于PXI系统比 CompactRIO拥有高得多的通道间隔离(可高达300V)，因而也很适用于燃料电池的单元组测量。

然而，合适的硬件只是测试系统的一部分。理想的测试系统既应拥有模块化的硬件，也应具备可伸缩的系统级软件。前面提到的DMM/开关方案 中包含几个不同的硬件模块，这会让正常环境下的高效测试程序构建变得十分困难。NI的LabVIEW图形编程软件利用数据流编程的直观性，为大多数工程师 解决了这一问题。此外，LabVIEW还为用户提供了Express VI(虚拟仪器)形式的配置向导(configuration wizard)，通过最大程度地减少增加额外硬件时所需进行的代码修改，达到缩短开发时间和增大测试系统灵活性的效果。

本文总结

随着燃料电池领域的技术不断进步，社会对石油等稀缺自然资源的依赖必将降低。投资燃料电池不但会为投资者们带来很大的经济利益，也会帮助减 少污染和温室气体的排放。而燃料电池制造需求一旦增加，对它的测试需求也必然增大。因此，研究模块化可伸缩的测试系统，以满足不断变化的燃料电池测试需求 就变得十分重要。