鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：674次 | 2021年12月22日
構(gòu)建靈活的燃料動(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng)
根據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的一項(xiàng)調(diào)查，亞洲與澳大利亞2004年用作能源的石油已達(dá)1.65萬(wàn)億升。該調(diào)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(jià)格不斷攀升。燃料動(dòng)力電池作為一種替代能源，有望用于解決能源緊張的問(wèn)題。
太空旅行是最早采用燃料動(dòng)力電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)。早在1960年初，通用電子公司制造的質(zhì)子交換膜(pEM)燃料動(dòng)力電池就曾為NASA的GemiNIpXI技術(shù)開(kāi)發(fā)出無(wú)線電接收機(jī)NI和阿波羅太空艙的電力系統(tǒng)供應(yīng)能源。從那時(shí)開(kāi)始，燃料動(dòng)力電池技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其應(yīng)用如今已遍及從筆記本電腦和Mp3播放器到混合動(dòng)力汽車(chē)甚至建筑物等各個(gè)領(lǐng)域。隨著燃料動(dòng)力電池的應(yīng)用不斷增多，設(shè)計(jì)工程師不但要了解這種技術(shù)的原理，還應(yīng)熟悉燃料動(dòng)力電池堆(cellstack)的可靠性與功能性測(cè)試。本文重要介紹構(gòu)建燃料動(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng)的兩個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)：可伸縮性和隔離。
測(cè)試需求
燃料動(dòng)力電池是一種設(shè)備，它能利用氫這種地球上最豐富的元素將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。pEM燃料動(dòng)力電池(最常用的一種燃料動(dòng)力電池)中，在多孔陽(yáng)極(porousanode)與陰極之間有一層電解膜。這層電解膜由一種允許質(zhì)子通過(guò)但阻擋電子通過(guò)的特殊材料制成。pEM電池工作時(shí)，讓氫氣和氧氣分別通過(guò)陽(yáng)極與陰極，從而出現(xiàn)電流。陽(yáng)極發(fā)生接觸反應(yīng)將氫氣分解為質(zhì)子，這些質(zhì)子通過(guò)pEM到達(dá)陰極。電子不能穿透pEM，所以會(huì)沿著其周?chē)囊粭l電路到達(dá)陰極，這條電路中電子的移動(dòng)就形成了電流。
pEM燃料動(dòng)力電池重要用于汽車(chē)應(yīng)用中，電池堆中的每個(gè)電池單元可出現(xiàn)1.1V到1.23V的電壓。那么燃料動(dòng)力電池與普通電池的差異在何處呢？普通電池只能存儲(chǔ)有限的電荷，因而使用時(shí)間有限，燃料動(dòng)力電池卻不同，只要保持恒定的氫和氧供應(yīng)，燃料動(dòng)力電池就能一直供應(yīng)能量。這種能夠持續(xù)出現(xiàn)能量的特點(diǎn)使燃料動(dòng)力電池非常適合為汽車(chē)和建筑物供應(yīng)能源。但有些要求能量來(lái)源十分可靠的應(yīng)用就要在使用前對(duì)燃料動(dòng)力電池進(jìn)行徹底的測(cè)試。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
燃料動(dòng)力電池是一種可伸縮、復(fù)雜度最低，卻能出現(xiàn)“很多電能”的系統(tǒng)。燃料動(dòng)力電池的靈活性也決定了，為保證安全、長(zhǎng)期使用，要有一種靈活的方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。因此，在能添加I/O點(diǎn)的模塊化平臺(tái)上構(gòu)建燃料動(dòng)力電池測(cè)試應(yīng)用就顯得至關(guān)重要。
除了應(yīng)具備模塊化和可伸縮的特性外，測(cè)試系統(tǒng)還應(yīng)該既能測(cè)量整個(gè)電池堆的電壓也能測(cè)量每個(gè)電池單元的電壓。電池堆的每個(gè)單元中，氫氣和氧氣通過(guò)陽(yáng)極和陰極的流速都不同，因此每個(gè)單元供應(yīng)的電壓也不同。于是，監(jiān)測(cè)這些電壓，從而了解每個(gè)單元是否工作正常，以及控制氣體流速以達(dá)到能源出現(xiàn)的最佳狀態(tài)，這些都十分重要。除了氣體流速之外，對(duì)燃料動(dòng)力電池的溫度也必須加以控制。以pEM燃料動(dòng)力電池為例，60℃到80℃就是最佳工作溫度。
圖1：各種燃料動(dòng)力電池的工作過(guò)程
要保證對(duì)整個(gè)電池堆電壓的測(cè)量可靠，就要求測(cè)試系統(tǒng)的通道-地之間有足夠的隔離度，而且系統(tǒng)擁有足夠的抑制共模信號(hào)的能力。雖然每個(gè)電池單元出現(xiàn)的電壓可能還不超過(guò)1V，但多個(gè)電池單元堆疊起來(lái)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百上千個(gè)單元。因此，要準(zhǔn)確體現(xiàn)燃料動(dòng)力電池堆的特性，系統(tǒng)必須能在大共模電壓下(往往高達(dá)幾百伏)對(duì)小電壓進(jìn)行多通道測(cè)量。
測(cè)試方法
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱(chēng)電壓：28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
一種進(jìn)行燃料動(dòng)力電池測(cè)試的方法是采用嵌入式可編程自動(dòng)控制(pAC)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)既能測(cè)量單元電池電壓，也能控制氣體流速和溫度等因素。NI的CompactRIO高速CAN連接能力，NI最新通信技術(shù)大展拳腳"target=_blank>CompactRIO等模塊化現(xiàn)成方法不但能供應(yīng)這些特性，還具備更豐富的擴(kuò)展功能。CompactRIO采用可伸縮設(shè)計(jì)，采用了一個(gè)開(kāi)放的嵌入式架構(gòu)工業(yè)I/O模塊，具有小尺寸、極高耐用性以及可熱插拔的特點(diǎn)。
圖2：NI9206能夠承受高達(dá)600V的共模電壓，兩組電池單元之間的隔離也可達(dá)10V
用于燃料動(dòng)力電池的NI9206CompactRIO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)在底板上新增更多模塊，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，NI9206在其每組8通道，共兩組的結(jié)構(gòu)內(nèi)供應(yīng)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，NI9206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端子本身相關(guān)于地可以高達(dá)600V。所以NI9206最適合測(cè)量pEM這類(lèi)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(mǎn)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。[page]
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)，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(zhuān)用的同步總線和軟件特性。pXI具有可伸縮特性，假如要新增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(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在要測(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很適合用于燃料動(dòng)力電池測(cè)試。
圖3：燃料動(dòng)力電池堆中各個(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(kāi)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的燃料動(dòng)力電池堆。由于一個(gè)pEM燃料動(dòng)力電池單元的典型電壓為1V，這樣的應(yīng)用就要將大約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(kāi)關(guān)模塊加一個(gè)NIpXI-4071FlexDMM，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)NIpXI-257598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)。關(guān)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NIpXI-2527。由于pXI-2527的通道到地隔離度比較高，故可安全地開(kāi)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NIpXI-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(mǎn)足自己特殊要求，并且可在將來(lái)根據(jù)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動(dòng)力電池的單元組測(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(kāi)關(guān)方法中包含幾個(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(hù)供應(yīng)了ExpressVI(虛擬儀器)形式的配置向?qū)?configurationwizard)，通過(guò)最大程度地減少新增額外硬件時(shí)所需進(jìn)行的代碼修改，達(dá)到縮短開(kāi)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)
隨著燃料動(dòng)力電池領(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(lài)必將降低。投資燃料動(dòng)力電池不但會(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。而燃料動(dòng)力電池制造需求一旦新增，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(mǎn)足不斷變化的燃料動(dòng)力電池測(cè)試需求就變得十分重要。
