采用合適的負(fù)載平臺(tái)測(cè)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(cè)試實(shí)際的功率系統(tǒng)。對(duì)于必須在將要使用的真實(shí)環(huán)境下測(cè)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(duì)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(chǎng)合下，如沙漠、垃圾或淤泥，不出現(xiàn)工作問(wèn)題。使用這些設(shè)備，也不需要考慮維護(hù)或校準(zhǔn)問(wèn)題(圖1)。

　　不過(guò)，用電子負(fù)載測(cè)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(lèi)型不同，范圍很大，要了解每種類(lèi)型的優(yōu)勢(shì)和弱勢(shì)，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(cè)試過(guò)程本身的難度一樣。

　　廣義上看，電子負(fù)載的分類(lèi)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(lèi)型是低電壓、低導(dǎo)通FET變種，非常適合測(cè)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(lèi)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(duì)低，精度有限。另一種類(lèi)型即所謂的開(kāi)關(guān)電子負(fù)載，這種類(lèi)型不應(yīng)該用于對(duì)功率系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)載測(cè)試，因?yàn)樗鼤?huì)給待測(cè)設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重問(wèn)題。不過(guò)，此特定負(fù)載類(lèi)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(hào)，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(cè)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(jiǎn)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(cè)試。不過(guò)，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(duì)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(guò)程，應(yīng)該盡可能精簡(jiǎn)。例如，對(duì)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(cè)設(shè)備(UUT)的功率容量一旦知道了，適合測(cè)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(cè)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(jí)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(jiǎn)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(cè)試中一個(gè)重要的問(wèn)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(cè)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(duì)此予以考慮。然而，布線和連接中的幾mΩ的電阻都可能會(huì)對(duì)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(cè)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(cè)量100 A時(shí)，0.001 V/A的分流將會(huì)產(chǎn)生0.1 V的電壓。不過(guò)，如果待測(cè)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(duì)基于燃料電池的功率系統(tǒng)，為精確測(cè)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(cè)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(guò)，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(lái)自第二電源)的增加。其他缺點(diǎn)還有：UUT過(guò)熱、測(cè)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(wèn)題會(huì)破壞在測(cè)試平臺(tái)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(lái)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(píng)估UUT性能。

　　如果非得采用第二電源，則一定不能使用開(kāi)關(guān)電源，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源會(huì)有標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備(如萬(wàn)用表)無(wú)法探測(cè)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(cè)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(cè)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(huì)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(wèn)題與使用第二電源有關(guān)。錯(cuò)誤地連接第二電源的檢測(cè)線。這些檢測(cè)線的最初目的是對(duì)流過(guò)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(guò)，對(duì)于第二電源和電氣負(fù)載一起使用的測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)，檢測(cè)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(cè)試燃料電池時(shí)發(fā)揮最佳性能。

　　將第二電源的檢測(cè)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(huì)導(dǎo)致功率系統(tǒng)測(cè)量讀數(shù)錯(cuò)誤。當(dāng)然，檢測(cè)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(xún)電源工程師。

　　電子負(fù)載屬性

　　電子負(fù)載的唯一最大的問(wèn)題是漏電流，即無(wú)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(duì)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(cè)量數(shù)據(jù)總是穩(wěn)妥的。

　　實(shí)際中，漏電量可能隨測(cè)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(guò)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(cè)試過(guò)程中的另一個(gè)問(wèn)題的根源。良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣可以補(bǔ)充常識(shí)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(duì)給定的功率系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，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(cè)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(guò)功率晶體管耗散熱。長(zhǎng)導(dǎo)線連接到待測(cè)設(shè)備時(shí)，其穩(wěn)定性良好。不過(guò)，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(huì)引起負(fù)載問(wèn)題(或者，至少降低了流過(guò)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(cè)實(shí)際負(fù)載電流，以確保電子負(fù)載正確工作。

　　另一種類(lèi)型的電子負(fù)載是場(chǎng)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(cè)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(zhǎng)導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定性或功率級(jí)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(huì)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(wèn)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(cè)試電路帶來(lái)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(jí)(或其他選項(xiàng))以遠(yuǎn)程控制電子負(fù)載。

　　對(duì)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(duì)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(chǎng)合，電子負(fù)載通常工作在恒流模式。如果希望待測(cè)功率系統(tǒng)的輸出是恒壓或恒功率，那么控制測(cè)試臺(tái)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(lái)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(huì)使任何類(lèi)型的高速測(cè)試實(shí)際上都沒(méi)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(cè)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(lái)預(yù)測(cè)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(duì)熱漂移的敏感性，熱漂移一般會(huì)增加導(dǎo)通電阻。

　　由于存在這么多挑戰(zhàn)，對(duì)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(jiàn)，定制設(shè)計(jì)的電子負(fù)載將是最好的選擇。不過(guò)，工程師不應(yīng)該期望找到專(zhuān)用于燃料電池或電池綜合測(cè)試的現(xiàn)成負(fù)載。確切地講，為單電源系統(tǒng)開(kāi)發(fā)多測(cè)試臺(tái)常常是軍用設(shè)計(jì)工程師的責(zé)任。為應(yīng)對(duì)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(zhuān)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。