采用合適的負載平臺測試燃料電池系統(tǒng)

　　設計精良的電子負載不是只為在實驗室使用而設計的，應該仔細進行設計并制造，以測試實際的功率系統(tǒng)。對于必須在將要使用的真實環(huán)境下測試的軍用便攜式系統(tǒng)，如燃料電池，情況正是如此。為應對此挑戰(zhàn)，電子負載可制作成便攜式裝置，能在野外采用電池組工作。電子負載也可以封裝為完全密封的設備，在苛刻的環(huán)境和其他環(huán)境危險的場合下，如沙漠、垃圾或淤泥，不出現工作問題。使用這些設備，也不需要考慮維護或校準問題(圖1)。

　　不過，用電子負載測試任何功率系統(tǒng)在之前，必須確定哪種電子負載最適合重建在其工作環(huán)境下可能遇到的情境。因為負載類型不同，范圍很大，要了解每種類型的優(yōu)勢和弱勢，可能使選擇合適負載的難度幾乎與實際功率系統(tǒng)測試過程本身的難度一樣。

　　廣義上看，電子負載的分類有多種。例如，較老的標準晶體管型、較新的電子FET高功率型，還有最新、最可靠的電子負載型。后面這些類型是低電壓、低導通FET變種，非常適合測試基于電池和燃料電池的便攜式功率系統(tǒng)。

　　還有另外兩種負載應該提到，其固有缺點也要提到。一種類型是基于陳舊的采用功率晶體管陣列的技術，此技術成本相對低，精度有限。另一種類型即所謂的開關電子負載，這種類型不應該用于對功率系統(tǒng)進行負載測試，因為它會給待測設備帶來嚴重問題。不過，此特定負載類型有多個替代選項，同時，在最終選擇時，還有幾個關鍵因素必須考慮。

　　電子負載概述

　　本質上講，電子負載的作用相當于恒流功率電阻，可以用某些外部控制信號，如模擬電壓，控制電流可調范圍。此特征消除了功率系統(tǒng)輸出電流的不確定性。因此，電子負載在測試期間能維持恒電流，只用一個功率電阻達到此目的是不可能的。這樣就簡化了功率系統(tǒng)輸出功率的計算，輸出功率實質上成了功率系統(tǒng)輸出電壓的函數。這樣工作適合于電池大批量生產中的合格/不合格測試。不過，此應用還要求負載能夠快速斜坡上升到需要的電流(圖2)。

　　對特定應用選擇合適的負載可能是一項很復雜的過程，應該盡可能精簡。例如，對燃料電池系統(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(或整個燃料電池組)電流。根據這兩個參數，容易計算出燃料電池系統(tǒng)(或者其他任何便攜式功率系統(tǒng))的輸出功率。待測設備(UUT)的功率容量一旦知道了，適合測試的電子負載的范圍就能限定在此額定功率水平范圍。

　　幾乎所有的電子負載額定值都是室溫下(25 °C)的瓦數。如果要求不是在室溫下測試，則必須仔細研究電子負載的技術參數，因為大多數負載在更高溫度下都需要降級使用。

　　選擇負載時要考慮的下一個因素不像其第一印象那樣簡單：必須找出電子負載能承受的最小和最大電壓。隨著負載上所加電壓的降低，負載精確控制電流的能力也降低。很多電子負載可工作的低點電壓僅0.7 V左右(或甚至只有3 V)。低于此值后，負載可能工作不正常，甚至完全失效。

　　布線選擇

　　布線是電氣測試中一個重要的問題，應該和負載選擇一起考慮。遺憾的是，很多工程師在測試高功率系統(tǒng)，如能產生100 A～250 A電流的燃料電池時，未能對此予以考慮。然而，布線和連接中的幾mΩ的電阻都可能會對電子負載兩端的最終電壓降產生巨大的影響(圖3)。

　　分流是一種測量大電流的常用且有效的方法，但是使用時必須非常細心。例如，測量100 A時，0.001 V/A的分流將會產生0.1 V的電壓。不過，如果待測功率系統(tǒng)是在負載下僅能產生0.3 V的單燃料電池，則最高只能在負載兩端加0.2 V，布線上的電阻損耗單獨就能全部消耗此電壓。

　　因此，特別是對基于燃料電池的功率系統(tǒng)，為精確測試功率系統(tǒng)在大電流下的情況，希望電子負載上的電壓盡可能高。

　　提升負載電壓

　　由于在燃料電池系統(tǒng)中，與電子負載的低電壓工作有關的困難很大，一種解決此缺點的方法是使用第二電源。此電源與待測功率系統(tǒng)(和電子負載)串聯(lián)。這樣提高了加在負載上的電壓，使其恢復到正常工作時要求的范圍。

　　不過，這種方法有其自身的缺點，包括第二電源的電壓不穩(wěn)定性、電子負載的不穩(wěn)定性以及電氣噪聲(來自第二電源)的增加。其他缺點還有：UUT過熱、測試期間輸出電流高頻成分很小、UUT動態(tài)不穩(wěn)定以及UUT轉換速度減小。所有這些問題會破壞在測試平臺上使用第二電源的有效性。

　　例如，電源電壓和負載調節(jié)的不穩(wěn)定性可達數百mv(在某些情況下，甚至高于燃料電池組單節(jié)電池電壓)。如果用第二電源來抬高電壓，則經常必須在輸出電流路徑上的多個點上采取一些電氣措施，以便正確評估UUT性能。

　　如果非得采用第二電源，則一定不能使用開關電源，因為開關電源會有標準測試設備(如萬用表)無法探測到的噪聲和電流尖峰。

　　在用電子負載與第二電源結合測試UUT，如基于燃料電池的便攜式功率系統(tǒng)時，電源電壓和負載調節(jié)是兩個最重要的考慮因素。

　　使用前，打算與電子負載串聯(lián)的電源的技術參數應該單獨測量。這是由于下面這一令人遺憾的現實導致的，即數據表格中提供的技術參數會使電源的性能表面上看優(yōu)于在實際工作條件下的性能。

　　然而，可能還有一個問題與使用第二電源有關。錯誤地連接第二電源的檢測線。這些檢測線的最初目的是對流過電源輸出線的大電流所產生的電壓降進行分壓。因此，傳統(tǒng)的方法是直接將其連接到供電應用的接口端(或者電源輸出線的終端)。

　　不過，對于第二電源和電氣負載一起使用的測試平臺結構，檢測線應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，使其在測試燃料電池時發(fā)揮最佳性能。

　　將第二電源的檢測線連接到主輸出電流環(huán)的任意其他節(jié)點，不可避免會導致功率系統(tǒng)測量讀數錯誤。當然，檢測線應該盡可能短，充分遠離任何明顯的電氣噪聲源。

　　然而，盡管這些措施效力有限，采用電源與電子負載串聯(lián)應該只是最后的補救辦法。此外，使用此方法時，應該咨詢電源工程師。

　　電子負載屬性

　　電子負載的唯一最大的問題是漏電流，即無功電流，多少總是有一點，可以在幾mA到數百mA，大多數制造商通常對其設備中的漏電流量不予規(guī)定。即使在漏電流似乎不是關鍵因素的情況下，從制造商處查尋此參數的測量數據總是穩(wěn)妥的。

　　實際中，漏電量可能隨測試條件的變化而改變。例如，漏電可隨所加的電壓的波動而波動，使漏電流呈非線性。在某些情況下，電子負載中漏電流路徑上消耗的電流甚至隨通過主電流路徑抽取的電流數量的變化而變化。

　　溫度的不穩(wěn)定可能成為測試過程中的另一個問題的根源。良好的設計習慣可以補充常識的不足，以避免進入熱感應引起的不穩(wěn)定或者失效模式。

　　功率器件越多，產生的漏電流越大，同時溫度不穩(wěn)定越大。因此，對給定的功率系統(tǒng)測試平臺，必須仔細選定電子負載的額定功率，達到最佳范圍，穩(wěn)定性最好。普遍認可的經驗法則是使用功率容量比需要的大20%～50%的負載，以充分反映UUT的特性。

　　使用較早的負載設計的電子負載?？赡苁菧y試功率系統(tǒng)時另一種麻煩的根源。與其更現代的版本一樣，這些部件通常通過功率晶體管耗散熱。長導線連接到待測設備時，其穩(wěn)定性良好。不過，這種負載的轉換速度慢，使這些負載能承受的最小電壓限制在2.5 V左右。

　　加在負載兩端的低于此值的任何電壓通常會引起負載問題(或者，至少降低了流過負載的電流的控制精度)。因此，一定要采用單獨的儀器獨立檢測實際負載電流，以確保電子負載正確工作。

　　另一種類型的電子負載是場效應晶體管(FET)型，其轉換速度更快，能工作在低得多的電壓下(包括測試燃料電池規(guī)定的0.3 V)。同時，FET型負載漏電流更低，工作溫度穩(wěn)定性更高，但其主要缺點是連接負載的長導線會產生不穩(wěn)定性或功率級FET的振蕩。即使FET常常造成輸出電路電容增加，但很多FET制造商還是會在負載內布放附加輸出電容，以提高穩(wěn)定性。

　　還可能有很多問題與穩(wěn)定性有關，在用軟件或硬件遠程控制電子負載時可能出現。從負載到控制卡的地回路很可能給測試電路帶來不穩(wěn)定性。為了防止這種效應，最好的電子負載提供有電氣隔離級(或其他選項)以遠程控制電子負載。

　　對模擬控制方案，確認電子負載的轉換速度能跟蹤控制電壓的轉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載的轉換速度。對這些部件，輸入與輸出之間的電壓-電流關系(幾乎總是線性的)僅用在負載的穩(wěn)態(tài)條件下。

　　在這些場合，電子負載通常工作在恒流模式。如果希望待測功率系統(tǒng)的輸出是恒壓或恒功率，那么控制測試臺的軟件或固件必須相應調整電流。這樣就可能需要一個多功能數據采集控制卡，以充分監(jiān)控電子負載電路的適當節(jié)點。

　　完成這種監(jiān)控和控制所需的算法可能相當復雜。此外，如果用IEEE-488總線來遠程監(jiān)控電子負載，此接口的發(fā)送與接收的等待時間會使任何類型的高速測試實際上都沒有用。

　　附加負載特點

　　雖然電壓和電流是計算電子負載功耗需要的基本參數，但測試其他一些參數通常也是必要的。例如，知道電子負載的最小導通電阻常常很有好處，此參數表示負載兩端可能的最低電壓，以及負載可能承受的最大電流。

　　導通電阻還能反映有關電路阻抗的情況，電路阻抗可用來預測負載隨特殊功率系統(tǒng)的變化，如基本燃料電池組(通常，負載的導通電阻應該約為燃料電池阻抗10%)。電子負載的導通電阻能反映的另一個情況是其對熱漂移的敏感性，熱漂移一般會增加導通電阻。

　　由于存在這么多挑戰(zhàn)，對大多數功率系統(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，定制設計的電子負載將是最好的選擇。不過，工程師不應該期望找到專用于燃料電池或電池綜合測試的現成負載。確切地講，為單電源系統(tǒng)開發(fā)多測試臺常常是軍用設計工程師的責任。為應對此挑戰(zhàn)，能夠得到定制模塊且每個模塊都有必需的電壓、電流、電阻和熱參數，將是非常有益的。

　　Executive Engineering公司制造專用于此目的電子負載單元。每一個單元都是一個微型模塊，可以以不同的方式連接，以產生適應任何工程需要的量身定做的電子負載。