采用合适的负载平台测试燃料电池系统

2008-07-31 15:24:50来源: 中电网

  设计精良的电子负载不是只为在实验室使用而设计的,应该仔细进行设计并制造,以试实际的功率系统。对于必须在将要使用的真实环境下测试的军用便携式系统,如燃料电池,情况正是如此。为应对此挑战,电子负载可制作成便携式装置,能在野外采用电池组工作。电子负载也可以封装为完全密封的设备,在苛刻的环境和其他环境危险的场合下,如沙漠、垃圾或淤泥,不出现工作问题。使用这些设备,也不需要考虑维护或校准问题(图1)。

  不过,用电子负载测试任何功率系统在之前,必须确定哪种电子负载最适合重建在其工作环境下可能遇到的情境。因为负载类型不同,范围很大,要了解每种类型的优势和弱势,可能使选择合适负载的难度几乎与实际功率系统测试过程本身的难度一样。

  广义上看,电子负载的分类有多种。例如,较老的标准晶体管型、较新的电子FET高功率型,还有最新、最可靠的电子负载型。后面这些类型是低电压、低导通FET变种,非常适合测试基于电池和燃料电池的便携式功率系统。

  还有另外两种负载应该提到,其固有缺点也要提到。一种类型是基于陈旧的采用功率晶体管阵列的技术,此技术成本相对低,精度有限。另一种类型即所谓的开关电子负载,这种类型不应该用于对功率系统进行负载测试,因为它会给待测设备带来严重问题。不过,此特定负载类型有多个替代选项,同时,在最终选择时,还有几个关键因素必须考虑。

  电子负载概述

  本质上讲,电子负载的作用相当于恒流功率电阻,可以用某些外部控制信号,如模拟电压,控制电流可调范围。此特征消除了功率系统输出电流的不确定性。因此,电子负载在测试期间能维持恒电流,只用一个功率电阻达到此目的是不可能的。这样就简化了功率系统输出功率的计算,输出功率实质上成了功率系统输出电压的函数。这样工作适合于电池大批量生产中的合格/不合格测试。不过,此应用还要求负载能够快速斜坡上升到需要的电流(图2)。

  对特定应用选择合适的负载可能是一项很复杂的过程,应该尽可能精简。例如,对燃料电池系统,第一要求是了解电池电压或燃料电池组电压。其次,必须确定电池(或整个燃料电池组)电流。根据这两个参数,容易计算出燃料电池系统(或者其他任何便携式功率系统)的输出功率。待测设备(UUT)的功率容量一旦知道了,适合测试的电子负载的范围就能限定在此额定功率水平范围。

  几乎所有的电子负载额定值都是室温下(25 °C)的瓦数。如果要求不是在室温下测试,则必须仔细研究电子负载的技术参数,因为大多数负载在更高温度下都需要降级使用。

  选择负载时要考虑的下一个因素不像其第一印象那样简单:必须找出电子负载能承受的最小和最大电压。随着负载上所加电压的降低,负载精确控制电流的能力也降低。很多电子负载可工作的低点电压仅0.7 V左右(或甚至只有3 V)。低于此值后,负载可能工作不正常,甚至完全失效。

  布线选择

  布线是电气测试中一个重要的问题,应该和负载选择一起考虑。遗憾的是,很多工程师在测试高功率系统,如能产生100 A~250 A电流的燃料电池时,未能对此予以考虑。然而,布线和连接中的几mΩ的电阻都可能会对电子负载两端的最终电压降产生巨大的影响(图3)。

  分流是一种测量大电流的常用且有效的方法,但是使用时必须非常细心。例如,测量100 A时,0.001 V/A的分流将会产生0.1 V的电压。不过,如果待测功率系统是在负载下仅能产生0.3 V的单燃料电池,则最高只能在负载两端加0.2 V,布线上的电阻损耗单独就能全部消耗此电压。

  因此,特别是对基于燃料电池的功率系统,为精确测试功率系统在大电流下的情况,希望电子负载上的电压尽可能高。

采用合适的负载平台测试燃料电池系统

  提升负载电压

  由于在燃料电池系统中,与电子负载的低电压工作有关的困难很大,一种解决此缺点的方法是使用第二电源。此电源与待测功率系统(和电子负载)串联。这样提高了加在负载上的电压,使其恢复到正常工作时要求的范围。

  不过,这种方法有其自身的缺点,包括第二电源的电压不稳定性、电子负载的不稳定性以及电气噪声(来自第二电源)的增加。其他缺点还有:UUT过热、测试期间输出电流高频成分很小、UUT动态不稳定以及UUT转换速度减小。所有这些问题会破坏在测试平台上使用第二电源的有效性。

  例如,电源电压和负载调节的不稳定性可达数百mv(在某些情况下,甚至高于燃料电池组单节电池电压)。如果用第二电源来抬高电压,则经常必须在输出电流路径上的多个点上采取一些电气措施,以便正确评估UUT性能。

  如果非得采用第二电源,则一定不能使用开关电源,因为开关电源会有标准测试设备(如万用表)无法探测到的噪声和电流尖峰。

  在用电子负载与第二电源结合测试UUT,如基于燃料电池的便携式功率系统时,电源电压和负载调节是两个最重要的考虑因素。

  使用前,打算与电子负载串联的电源的技术参数应该单独测量。这是由于下面这一令人遗憾的现实导致的,即数据表格中提供的技术参数会使电源的性能表面上看优于在实际工作条件下的性能。

  然而,可能还有一个问题与使用第二电源有关。错误地连接第二电源的检测线。这些检测线的最初目的是对流过电源输出线的大电流所产生的电压降进行分压。因此,传统的方法是直接将其连接到供电应用的接口端(或者电源输出线的终端)。

  不过,对于第二电源和电气负载一起使用的测试平台结构,检测线应该直接连接到电源输出端,而不是电源输出线的末端(图4)。这有助于稳定电源,使其在测试燃料电池时发挥最佳性能。

采用合适的负载平台测试燃料电池系统

  将第二电源的检测线连接到主输出电流环的任意其他节点,不可避免会导致功率系统测量读数错误。当然,检测线应该尽可能短,充分远离任何明显的电气噪声源。

  然而,尽管这些措施效力有限,采用电源与电子负载串联应该只是最后的补救办法。此外,使用此方法时,应该咨询电源工程师。

  电子负载属性

  电子负载的唯一最大的问题是漏电流,即无功电流,多少总是有一点,可以在几mA到数百mA,大多数制造商通常对其设备中的漏电流量不予规定。即使在漏电流似乎不是关键因素的情况下,从制造商处查寻此参数的测量数据总是稳妥的。

  实际中,漏电量可能随测试条件的变化而改变。例如,漏电可随所加的电压的波动而波动,使漏电流呈非线性。在某些情况下,电子负载中漏电流路径上消耗的电流甚至随通过主电流路径抽取的电流数量的变化而变化。

  温度的不稳定可能成为测试过程中的另一个问题的根源。良好的设计习惯可以补充常识的不足,以避免进入热感应引起的不稳定或者失效模式。

  功率器件越多,产生的漏电流越大,同时温度不稳定越大。因此,对给定的功率系统测试平台,必须仔细选定电子负载的额定功率,达到最佳范围,稳定性最好。普遍认可的经验法则是使用功率容量比需要的大20%~50%的负载,以充分反映UUT的特性。

  使用较早的负载设计的电子负载常可能是测试功率系统时另一种麻烦的根源。与其更现代的版本一样,这些部件通常通过功率晶体管耗散热。长导线连接到待测设备时,其稳定性良好。不过,这种负载的转换速度慢,使这些负载能承受的最小电压限制在2.5 V左右。

  加在负载两端的低于此值的任何电压通常会引起负载问题(或者,至少降低了流过负载的电流的控制精度)。因此,一定要采用单独的仪器独立检测实际负载电流,以确保电子负载正确工作。

  另一种类型的电子负载是场效应晶体管(FET)型,其转换速度更快,能工作在低得多的电压下(包括测试燃料电池规定的0.3 V)。同时,FET型负载漏电流更低,工作温度稳定性更高,但其主要缺点是连接负载的长导线会产生不稳定性或功率级FET的振荡。即使FET常常造成输出电路电容增加,但很多FET制造商还是会在负载内布放附加输出电容,以提高稳定性。

  还可能有很多问题与稳定性有关,在用软件或硬件远程控制电子负载时可能出现。从负载到控制卡的地回路很可能给测试电路带来不稳定性。为了防止这种效应,最好的电子负载提供有电气隔离级(或其他选项)以远程控制电子负载。

  对模拟控制方案,确认电子负载的转换速度能跟踪控制电压的转换速度也是很重要的。虽然模拟控制方案的典型控制范围是0 V~5 V或0 V~10 V,但在有些情况下输入电压不能控制电子负载的转换速度。对这些部件,输入与输出之间的电压-电流关系(几乎总是线性的)仅用在负载的稳态条件下。

  在这些场合,电子负载通常工作在恒流模式。如果希望待测功率系统的输出是恒压或恒功率,那么控制测试台的软件或固件必须相应调整电流。这样就可能需要一个多功能数据采集控制卡,以充分监控电子负载电路的适当节点。

  完成这种监控和控制所需的算法可能相当复杂。此外,如果用IEEE-488总线来远程监控电子负载,此接口的发送与接收的等待时间会使任何类型的高速测试实际上都没有用。

  附加负载特点

  虽然电压和电流是计算电子负载功耗需要的基本参数,但测试其他一些参数通常也是必要的。例如,知道电子负载的最小导通电阻常常很有好处,此参数表示负载两端可能的最低电压,以及负载可能承受的最大电流。

  导通电阻还能反映有关电路阻抗的情况,电路阻抗可用来预测负载随特殊功率系统的变化,如基本燃料电池组(通常,负载的导通电阻应该约为燃料电池阻抗10%)。电子负载的导通电阻能反映的另一个情况是其对热漂移的敏感性,热漂移一般会增加导通电阻。

  由于存在这么多挑战,对大多数功率系统,特别是基于燃料电池或电池的便携式军用系统,显而易见,定制设计的电子负载将是最好的选择。不过,工程师不应该期望找到专用于燃料电池或电池综合测试的现成负载。确切地讲,为单电源系统开发多测试台常常是军用设计工程师的责任。为应对此挑战,能够得到定制模块且每个模块都有必需的电压、电流、电阻和热参数,将是非常有益的。

  Executive Engineering公司制造专用于此目的电子负载单元。每一个单元都是一个微型模块,可以以不同的方式连接,以产生适应任何工程需要的量身定做的电子负载。

 

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编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2008/0731/article_980.html
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