虛擬儀器技術(shù)在超級電容電池測試中的應用

作者/ 程中軍 南充市計量測試研究所(四川 南充 637300)

摘要：針對具有超級電容的電池或電池組測試需要，專(zhuān)門(mén)設計了基于虛擬儀器的測試平臺，通過(guò)該平臺可以對具有超級電容的電池、電池組進(jìn)行充放電測試，并實(shí)時(shí)給出其電壓、電流、功率、容量、電池效率等多項參數。實(shí)驗結果表明，測試平臺安全可靠，測試精準，自動(dòng)化水平高。

引言

　　近年來(lái)，新能源領(lǐng)域得到了空前發(fā)展。以電動(dòng)汽車(chē)為代表的新能源汽車(chē)正被大面積推廣。新型動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)關(guān)鍵。鉛酸電池的大量使用容易造成環(huán)境的鉛污染^[1]，而鋰電池的大電流放電能力不足，超級電容電池是近年來(lái)興起的一種新型電池。相比鉛酸電池和鋰電池，超級電容電池具有充電速度快、循環(huán)壽命長(cháng)、容量大及對環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，因而得到越來(lái)越廣泛的應用^[2]。超級電容電池伏安特性及其容量重要參數，產(chǎn)品出廠(chǎng)需要進(jìn)行大量測試。專(zhuān)業(yè)的電池測試管理系統費用十分昂貴，因此，本文針對實(shí)驗室動(dòng)力型超級電容電池的測試需要，在現有程控直流電源和電子負載的基礎上，采用虛擬儀器技術(shù)，在LabVIEW環(huán)境下搭建電池的軟件測試平臺，實(shí)現對電池測試的控制、數據采集和分析功能。

1 超級電容電池工作原理

　　超級電容電池原理上結合了超級電容器和鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)^[3]。超級電容器主要是利用了多孔電極材料的高比表面積的特點(diǎn)，通過(guò)電解液離子極化形成的雙電層完成儲能^[4]。超級電容器在工作時(shí)，由于多孔材料做成的電極浸在電解溶液中，中間加有隔膜。當充電時(shí)，帶正電的電極大量吸附陰離子，而帶負電的電極吸附陽(yáng)離子。但是電荷并不會(huì )通過(guò)電極表面轉移，而是在電極和電解液之間重新排列富集，從而產(chǎn)生了位移電流。于是能量就通過(guò)富集于電極表面而存儲^[5]。這種結構的電池具有功率密度高、循環(huán)壽命長(cháng)和低溫性能好的優(yōu)點(diǎn)。而鋰離子電池是一種典型的電化學(xué)電池，其正負電極中嵌有不同的鋰離子化合物。電池工作過(guò)程中，不斷有鋰離子從一端電極中脫離，經(jīng)過(guò)電解液，又嵌入到另一端電極中。電荷就隨著(zhù)電解液和電極之間的電化學(xué)反應而轉移^[6]。這種原理電池具有安全性好、能量密度高和自放電低的優(yōu)點(diǎn)[5]。超級電容電池的一個(gè)電極采用雙電容儲能機制，另一個(gè)電極采用電化學(xué)儲能機制^[3]。因而具備了兩者的共同優(yōu)點(diǎn)，尤其是高比功率、高比能量和高放電電壓以及長(cháng)循環(huán)壽命的特點(diǎn)^[9]。

2 虛擬儀器介紹

　　虛擬儀器(Virtual Instruments,VI)是一種以計算機為載體的自動(dòng)化測量與控制系統，用來(lái)實(shí)現對現實(shí)世界的各種物理量進(jìn)行測量或對物理過(guò)程進(jìn)行控制^[7]。NI公司為虛擬儀器設計的軟件環(huán)境是LabVIEW，是目前最常用的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺。LabVIEW編程環(huán)境主要包括前面板和后面板。其中前面板放置的是人機交互的控件，完成計算機輸入設置、參數和圖像顯示，后面板完成程序的編寫(xiě)。LabVIEW與傳統的編程軟件相比，采用的是非常直觀(guān)易懂的圖形語(yǔ)言，即G語(yǔ)言。不需要繁瑣的代碼編寫(xiě)，只需把相關(guān)函數或者功能模塊的輸入輸出端子相應連接起來(lái)即可，大大降低了編程難度。LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境自帶多種通信接口，包括RS232、USB、GPIB等，能夠非常便捷地與多種設備儀器進(jìn)行通信。LabVIEW編程環(huán)境提供直接調用MATLAB的接口，能夠借助MATLAB處理復雜的數據運算。

3 超級電容電池測試平臺設計

　　3.1 平臺整體結構

　　本文設計的超級電容電池測試平臺主要組成部分包括上位機的虛擬儀器部分、程控直流電源、電子負載以及充放電電路控制部分。電源、負載以及電路控制部分是平臺的執行機構，受到上位機虛擬儀器的控制，與上位機之間采用RS232C協(xié)議通信。平臺整體結構如圖1所示。電路控制需要一個(gè)能和上位機通信的處理器，接收上位機發(fā)出的電路開(kāi)閉指令，并驅動(dòng)電路中的接觸器斷開(kāi)或閉合。為了今后能夠對測試平臺進(jìn)一步改進(jìn)，如進(jìn)行測試中的超級電容電池電壓均衡控制或者其他更多參數實(shí)時(shí)測量等，下位機特為此預留出多個(gè)I/O口。

　　3.2 前面板設計

　　軟件的前面板是人機交互接口，前面板主要放置的是軟件需要的輸入輸出控件。根據釩電池測試的具體要求，程序的前面板應該包括如下功能：輸入主要是電池充放電的參數，包括設備選擇、充放電方式選擇、參數大小、充放電截止參數/時(shí)間以及充放電啟動(dòng)/停止/數據保存和電路開(kāi)閉的開(kāi)關(guān)和文件命名輸入等。輸出主要是軟件的顯示控件，包括電池充放電曲線(xiàn)、實(shí)時(shí)電流電壓、當前累計充放電容量和測試時(shí)間。前面板不涉及到編程問(wèn)題，一個(gè)良好的前面板設計，主要應該考慮各控件的位置，保證整齊、美觀(guān)。圖2為本文設計的超級電容電池測試開(kāi)放平臺前面板圖。

　　3.3 后面板程序設計

　　軟件后面板完成前面板中數據的傳遞，向硬件系統發(fā)出指令，接收數據處理等環(huán)節的任務(wù)。后面板的設計采用了模塊化的程序編程思想，先將系統需要實(shí)現的各個(gè)功能模塊編寫(xiě)為可以在頂層程序中直接調用的子vi。本文著(zhù)重介紹以下幾個(gè)重要模塊的編寫(xiě)。

　　3.3.1 串口通信模塊設計

　　如前所述，本文中所涉及的通信全部是RS232通信。在LabVIEW中使用串口通信，需要借助LabVIEW提供的VISA庫完成。VISA(Virtual Instruments Software Achitecture)虛擬儀器體系結構是VXI——即插即用聯(lián)盟規定的標準I/O接口軟件，是目前儀器設備接口類(lèi)型功能函數的超集^[10]。LabVIEW環(huán)境自帶VISA的API函數，支持串口的讀寫(xiě)、開(kāi)閉及配置等操作。因此通過(guò)VISA可以實(shí)現任何類(lèi)型的串口通信應用。如圖3為通信串口的配置和讀寫(xiě)程序^[11-12]。程序首先配置串口通信參數為9600波特率，8位數據，零校驗和1位停止位。程序通過(guò)使用串口字節數屬性以讀取所有接收到的數據。

　　3.3.2 電源和負載控制及數據采集^[13]

　　本文程控直流電源和電子負載使用臺灣艾德克斯的大功率產(chǎn)品，作為程控設備采用的指令是SCPI指令。SCPI指令是一種用于可編程儀器的標準指令集，SCPI指令包括IEEE.2標準中的通用指令和設備特定指令。本文用到的是設備特定的指令，主要包括設置充放電參數、測量電壓電流及啟動(dòng)與停止指令。其指令格式為：<關(guān)鍵字>：參數。電源提供的充電方式包括恒壓充電和恒流充電模式，電子負載還提供恒功率和固定電阻放電模式。因為充電時(shí)需要考慮在測試容量時(shí)有恒流轉恒壓的充電過(guò)程，因此需要設置充電電流和充電電壓。放電過(guò)程則只需要選擇某種特定的方式即可，不同方式對應于不同的SCPI指令，因此，在編寫(xiě)這個(gè)部分時(shí)采用枚舉變量選擇case結構進(jìn)行設置。

　　對于數據采集，主要是通過(guò)直流電源和電子負載遠端測量端子和輸出/入端構成的負反饋回路，測量得到精確的電池端電壓及輸入/出電流大小，并以ASCII碼形式上傳到上位機進(jìn)行處理。設備上傳數據需要得到上位機程序的指令才能進(jìn)行。這里需要用到兩條指令，即“MEAS:CURR?”和“MEAS:VOLT?”。平臺設置的采集時(shí)間間隔為1秒。這一部分放在主程序循環(huán)之中。測量電壓的程序圖如圖5所示。

　　平臺提供了數據的保存功能，由于LabVIEW提供有對excel電子表格的讀寫(xiě)接口，本文將測量的原始數據和計算處理的數據統一保存在excel里^[14-15]。Excel表頭包括序號、時(shí)間、電壓、電流、功率、安時(shí)容量和瓦時(shí)容量等欄目。其中的累計容量計算采用電流對時(shí)間積分求得^[1]，瓦時(shí)容量通過(guò)功率對時(shí)間的積分計算。

4 實(shí)驗驗證

　　利用此測試平臺，可以針對超級電容電池進(jìn)行一系列基于充放電的測試實(shí)驗，如超級電容電池的容量測試、效率分析。本文以對四個(gè)標稱(chēng)為35Ah的電池組成的串聯(lián)電池組的容量測試實(shí)驗為例對測試平臺進(jìn)行驗證。根據超級電容電池組的測試標準^[1]，電池容量測試方法是先將電池充滿(mǎn)電，靜置到溫度穩定在25±2℃后，進(jìn)行恒流放電，計算放電的安時(shí)容量。此處電池組設定恒流充電電流17.5A，待電池充電到電池組端電壓上升到60V時(shí)，轉為恒壓充電模式，待電流下降低于0.3A時(shí)，認為電池已完全充滿(mǎn)。放電過(guò)程采用17.5A電流恒流放電，電壓截止電壓設定為42V，得到放電容量值為32.4Ah。圖6為實(shí)驗的充放電曲線(xiàn)。電池放出的容量小于35Ah，這是因為，當電壓下降到42V后，還能繼續放電。但此時(shí)，從圖中可以看出，電壓和功率正在迅速降低，設定42V的截止電壓是因為電池在實(shí)際工作中保持適度的放電深度對電池是有好處的。另外，在這個(gè)充放電過(guò)程中隨機選擇多點(diǎn)，采用電壓表測量電池組端電壓，使用福祿克的電流鉗測量電路中的電流，均與直流電源、電子負載顯示以及上傳的數據吻合。因此，實(shí)驗證明該平臺在超級電容電池測試應用中是可靠的。

5 結束語(yǔ)

　　本文針對超級電容電池的測試需求，利用實(shí)驗室的程控直流電源和電子負載，提出了一種基于虛擬儀器的電池測試平臺設計，設計了友好的人機交互界面，完成了各項功能設計。該平臺能夠實(shí)時(shí)采集電池測試過(guò)程參數，具備保存數據，繪制電流電壓曲線(xiàn)，計算容量等多項功能。實(shí)驗證明，使用該平臺對超級電容電池進(jìn)行測試是安全可靠的。

參考文獻：

　　[1]牛紅濤,彭建華,楊春生,等.動(dòng)力型超級電容電池容量測試標準與裝置研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2014,14(34):190-193.

　　[2]李明興,牛紅濤,張俊杰.超級電容電池組容量測試監控系統研究[J].電子設計工程,2015,23(23):88-91.

　　[3]廖川平.超級電容電池[J].化學(xué)通報,2014,77(9):865-871.

　　[4]阮殿波,王成揚,聶家發(fā).動(dòng)力型超級電容器應用研發(fā)[J].電力機車(chē)與城軌車(chē)輛,2012,35(5):16-20.

　　[5]馬婷婷.超級電容電池正極材料與負極材料的研究[D].長(cháng)沙:中南大學(xué),2011.

　　[6]Nagaura T,Tozawa K.Lithium Ion Rechargeable Battery[J].Prog.Bat.Sol.Cell,1990,(9):209-217.

　　[7]肖成勇,雷振山,魏麗.LabVIEW 2010基礎教程[M].北京:中國鐵道出版社,2012.

　　[8]史志輝,林君,周逢道.基于虛擬儀器的高準確度同步采集系統[J].中國測試,2016,42(2):67-70.

　　[9]樓海星,姚維.超級電容在電動(dòng)汽車(chē)電池能量回饋中的應用[J].輕工機械,2013,31(6):54-58.

　　[10]琴凡,韋高.基于VISA庫及SCPI命令的儀器程控測量[J].現代電子技術(shù),2011,34(11):118-120,123.

　　[11]林科業(yè).基于LabVIEW平臺的信號采集計算器[J].電子技術(shù),2016(3):35-37,27.

　　[12]申彩英,李興全,王奇,等.電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統上位機設計[J].現代車(chē)用動(dòng),2016(1):42-45.

　　[13]趙立軍.基于VISA接口的可編程電源輸出控制程序[J].計量與測試技術(shù).2015,42(12):1-2.

　　[14]熊舸,劉嫻,張煜,等.基于LabVIEW的實(shí)時(shí)串口數據采集及Excel報表生成技術(shù)[J].2014,35(3):28-32.

　　[15]王樹(shù)東,何明.基于LabVIEW高速采集系統方法的研究[J].電子測量技術(shù),2014,37(7):84-87.

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第10期第76頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。