基于MCU的車(chē)載超級電容測試系統設計實(shí)現

伴隨著(zhù)科技的進(jìn)步，電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)得到迅速的發(fā)展。相比內燃機汽車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)具有零排放、高能量效率、低噪聲、低熱輻射、易操縱和易維護等優(yōu)點(diǎn)，將是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的方向，也是現行研究的熱點(diǎn)。

電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池有如下三類(lèi)：燃料電池、蓄電池和超級電容。燃料電池、蓄電池和超級電容在能量密度和功率密度上有互補性[1]。單一使用蓄電池、燃料電池或者超級電容，難以用作電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力源?；旌想姵厥且槐容^理想的解決辦法。采用混合電池驅動(dòng)系統，特別利用超級電容快速充放電能實(shí)現汽車(chē)制動(dòng)能量回收，以及燃料電池超大能量密度支持汽車(chē)持久行駛，使得燃料電池/超級電容組成的混合驅動(dòng)系統成為電動(dòng)車(chē)驅動(dòng)的最佳方案[2]。

對于車(chē)載用電源，為達到較高功率和能量，超級電容往往采用多塊單體串聯(lián)的形式。伴隨著(zhù)電容串級的提升，電池整體電壓也隨之提高；對于車(chē)載電池，超級電容工作電壓常達到幾百伏，而這樣高峰值的電壓引起的波動(dòng)會(huì )帶來(lái)強烈的電磁干擾，為電容組件的檢測帶來(lái)很大的困難。同時(shí)由于串聯(lián)超級電容往往采用大電流充放電(通常在50A～150A之間)，電壓、電流變化十分迅速。如中型客車(chē)用超級電容以150A電流放電時(shí)，端電壓會(huì )在1分鐘之內由300V減到70V，而200V恒壓沖電時(shí)電流也會(huì )在幾分鐘內由50A增大到150A左右，這樣迅速的充放電速度和幅度帶來(lái)的噪音影響也是十分巨大。

針對超級電容特殊的工作狀況，本論文給出一種超級電容電池檢測系統。通過(guò)對超級電容組件進(jìn)行充放電循環(huán)試驗采集其電壓、電流參數，并與標準參數對比，從而驗證出本檢測系統能在強電壓電流變化情況下快速實(shí)現較高的檢測精度。

1 檢測系統原理及各模塊實(shí)現
1.1 檢測對象

測試用超級電容采用上海奧威科技開(kāi)發(fā)有限公司提供的兩組串聯(lián)不對稱(chēng)電極雙電層超級電容組件。

1.2 系統原理介紹

超級電容管理系統可實(shí)現對超級電容工作電流和電壓的實(shí)時(shí)采集。超級電容管理系統整體結構框圖如圖1所示。系統共由3個(gè)主要模塊組成：現場(chǎng)電壓、電流、采集與調理模塊(即采集模塊)，信號隔離與MCU信號處理模塊(即中央處理模塊)，電源管理模塊。采集模塊內，霍爾電壓、霍爾電流傳感器分別對超級電容電壓和電流進(jìn)行現場(chǎng)采集，采集信號經(jīng)過(guò)儀用放大，然后轉化為4mA～20mA電流信號并發(fā)送到中央處理模塊。中央處理模塊內，采集模塊發(fā)送的4mA～20mA電流信號，經(jīng)過(guò)電流電壓變換后，再進(jìn)行隔離放大、AD轉換并送到MCU；MCU將數據處理后通過(guò)CAN接口傳送到上位機；當檢測到數據異常時(shí)MCU輸出故障信號，以便工作人員能即時(shí)采取措施。電源管理模塊為各功能模塊提供穩定隔離的電壓。增加RS232通信串口，以便MCU程序燒錄。

1.3 各主要模塊的實(shí)現

本測試系統分別采用四塊電路板，以實(shí)現三大功能模塊——采集模塊、中央處理模塊和電源管理模塊。即電壓采集與初調理板、中央處理板以及電源板。下邊著(zhù)重介紹電壓、電流采集模塊和中央處理模塊的實(shí)現。

1.3.1 采集模塊的實(shí)現

采集模塊包括總線(xiàn)電流的采集、總線(xiàn)電壓的采集兩個(gè)部分，圖2即為電流采集原理圖。采用霍爾電流傳感器隔離被測系統，比傳統的基于電阻采樣的電流分壓電路精度高，安全性能好，抗干擾能力強。本文選用Honywell公司的基于磁補償原理的霍爾閉環(huán)電流傳感器CSNK591，測量范圍±1200A，線(xiàn)性精度達到0.1%，總體精度達到0.5%，響應速度小于1μs，完全滿(mǎn)足了系統的要求。采集信號經(jīng)精密電阻轉變?yōu)殡妷盒盘?，再由儀用放大器放大為±5V雙極性電壓信號。系統選用AD620BR儀用放大芯片，該芯片在增益較低時(shí)具有較大的共模抑制比（G=10時(shí)，共模抑制比最小為100dB），能較強地抑制由于溫度、電磁噪聲等因素引起的共模干擾。放大信號通過(guò)OP27GS芯片抬升至0～10V單極性信號，經(jīng)過(guò)射極跟隨器送至變送器XTR110KU，轉為4mA～20mA的電流信號送到中央處理模塊。之所以將采集信號轉變?yōu)?mA～20mA電流信號，是考慮到與工業(yè)接口標準的統一，并且采用電流傳輸抗干擾能力強。

總線(xiàn)電壓的采集同樣選用基于磁補償原理的閉環(huán)霍爾電壓傳感器VSM025A，實(shí)現原理與電流采集相同。

1.3.2 中央處理模塊實(shí)現

中央處理模塊是測試系統的核心部分，包括MCU和AD單元、模擬信號二次調理單元、故障輸出單元和CAN接口單元等，如圖3所示。

采集模塊輸入的4mA～20mA電流信號首先經(jīng)過(guò)模擬信號二次調理單元，進(jìn)行信號的變送、隔離、濾波和放大。模擬信號的隔離方式很多，常用的方法為隔離放大器、線(xiàn)性光耦以及電壓頻率轉化，其中隔離放大器和線(xiàn)性光耦隔離電壓高，抗干擾能力強，線(xiàn)性度高，但線(xiàn)性光耦隔離線(xiàn)路復雜，需要調整的參數較多，并且當輸入電壓比較小時(shí)，線(xiàn)性度較差。故本文選用BB公司高精度ISO124U隔離運算放大器完成輸入模擬信號的隔離，隔離后的信號經(jīng)5階Butterworth低通濾波MAX280電路過(guò)濾高頻干擾，隨后通過(guò)一射極跟隨器送出。

二次調理后的采集信號，經(jīng)過(guò)12位高速AD7891送至MCU。MCU對數據進(jìn)行處理并將數據通過(guò)CAN接口傳送到上位機。單片機選用STC系列8位高速單片機STC89C58RD+。該單片機具有強抗干擾性，4kV快速脈沖干擾(EFT)和高抗靜電(ESD)，可通過(guò)6000V靜電，很好地滿(mǎn)足了超級電容高電壓大電流的工作環(huán)境。該單片機可實(shí)現6時(shí)鐘模式，在本系統采用24M晶振情況下，單片機工作頻率可達到4MIPS，相當于普通51系列單片機運行速度的4倍。

另外，測試系統設置3通道故障診斷輸出，能顯示欠壓、過(guò)壓、過(guò)流等狀態(tài)。測試系統與上位機采用抗干擾能力強、穩定性好的CAN通信方式，保證測試系統送入上位機數據的可靠性。

實(shí)際系統有模擬±15V，數字±5V，模擬±12V供電需求，電源管理模塊在提供系統各部分所需電壓的同時(shí)，進(jìn)行模擬、數字電路隔離，從而避免兩類(lèi)電壓互相影響。各部分電源入口都增加了TVS保護，防止浪涌電壓對系統的損壞。同時(shí)在諸多電源入口處設置相應的濾波電路，如在A(yíng)D供電入口處增加了π形濾波電路，較好地消除電源信號對所供電路的干擾。

另外，外部連線(xiàn)均采用屏蔽線(xiàn)，能較強地屏蔽線(xiàn)路傳輸中的電磁干擾。所有電流板使用型材鋁盒包裝，采用標準航空接頭與外界聯(lián)線(xiàn)，這樣在保護電路板的同時(shí)隔離外界磁場(chǎng)。

2 測試系統實(shí)測結果對比及分析

2.1 測試內容

實(shí)驗選定以70A和150A兩種模式對兩組串聯(lián)的超級電容組件進(jìn)行充放電測試。首先，對電容進(jìn)行恒流充電，當總線(xiàn)電壓達到300V時(shí)，轉為恒壓充電，當總線(xiàn)電流降低到10A時(shí)進(jìn)行70A恒流放電，如此循環(huán)測試5個(gè)周期。

2.2 實(shí)驗結果及分析

圖4、圖5、圖6給出了兩種情況下的測試曲線(xiàn)對比。其中，圖4表示70A和150A兩種標準測試情況下，電流的變化曲線(xiàn)。圖5、圖6表示兩種情況下，電壓曲線(xiàn)特性?？梢钥闯鰞烧叩钠ヅ涑潭群芎?。電壓測試精度高于電流測試精度，這是由于一方面充放電系統本身電壓比電流控制精度要高，另一方面電流傳感器安置在電容箱體內并且緊靠單體電容，電容充放電時(shí)產(chǎn)生的噪聲干擾比較嚴重。同時(shí)，霍爾電流傳感器孔徑較大，穿過(guò)電流總線(xiàn)后仍有一定空隙，在一定程度上影響了測試精度。對比各組電流曲線(xiàn)，可以看出隨著(zhù)電流的增大，測試結果的相對誤差減小，但絕對誤差保持一致，不超過(guò)3A。

本文給出一種車(chē)載超級電容測試系統，該系統采用基于磁補償原理的霍爾閉環(huán)電流、電壓傳感器采集總線(xiàn)信號，以抗高壓脈沖干擾的STC51高速單片機進(jìn)行信號處理，并采用儀用放大、電流傳輸、模擬信號隔離、5階低通濾波等措施，盡可能地減少信號傳輸過(guò)程的噪音。通過(guò)對超級電容組件充放電測試，表明本系統具有抗干擾能力強、檢測精度高等優(yōu)點(diǎn)，能很好的滿(mǎn)足車(chē)載超級電容高電壓大電流環(huán)境下的測試要求。