耿貴明，榮憲偉，于曉艷

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

目前，能源和環(huán)境問題成為社會關(guān)注的熱點(diǎn)，節(jié)能環(huán)保一直是全球提倡的主題[1].近年來，隨著傳統(tǒng)燃料汽車的普及，使城市的環(huán)境變得更加惡劣，為了有效的遏制環(huán)境的惡化，電動汽車的研發(fā)成為了很有前景的技術(shù)，電動汽車的產(chǎn)生不僅節(jié)省了傳統(tǒng)的燃料，而且能減少溫室氣體的排放[2].目前應(yīng)用最多的是混合動力汽車，它是由超級電容器和傳統(tǒng)的蓄電池結(jié)合成一種混合儲能系統(tǒng)來驅(qū)動汽車的行駛，其中超級電容器可以為混合儲能系統(tǒng)提供峰值功率，能夠保證傳統(tǒng)的蓄電池輸出平穩(wěn)的功率，延長傳統(tǒng)蓄電池的壽命[3，12].但是超級電容器在提供峰值功率時，需要進(jìn)行深度和快速的充放電循環(huán)，這樣會加劇超級電容器的熱效應(yīng)和電化學(xué)效應(yīng)，在化學(xué)反應(yīng)過程中會生成一些雜質(zhì)粒子，積存到電解液中，雜質(zhì)粒子會堵塞電極空隙，致使超級電容器的電極表面積減小和增加超級電容的等效內(nèi)阻，導(dǎo)致超級電容器運(yùn)行狀態(tài)下降甚至損壞，在這種情況下，超級電容器的狀態(tài)檢測對應(yīng)用超級電容器的系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要[4].

該文的主要研究內(nèi)容分為以下部分：在第一部分，論述了超級電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及超級電容器的應(yīng)用領(lǐng)域.在第二部分，對超級電容器監(jiān)控系統(tǒng)的組成和控制機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)的描述，分析設(shè)計(jì)了參數(shù)測量電路和數(shù)控電源的硬件電路.第三部分介紹了QT軟件的優(yōu)勢和應(yīng)用領(lǐng)域，以及測試系統(tǒng)軟件的開發(fā)流程與步驟.在第四部分，采用測試系統(tǒng)分別對普通電容器與超級電容器進(jìn)行測試，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)，驗(yàn)證了測試系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和準(zhǔn)確性.最后，在第五部分中，對論文的主要研究工作進(jìn)行了總結(jié).

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

超級電容器因其具有充放電效率快，功率密度高，循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)[5]，廣泛的應(yīng)用在電動汽車、混合動力汽車、智能電網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等領(lǐng)域[6].在實(shí)際應(yīng)用中，超級電容器單體的電壓和儲能容量不能滿足以上儲能系統(tǒng)的需求.因此在應(yīng)用中，通常將數(shù)只超級電容器進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)，組成超級電容器組[7]，以滿足大型儲能系統(tǒng)的需求.考慮以上因素，該文設(shè)計(jì)的超級電容器的測試系統(tǒng)，可以對單體的普通電容器、單體超級電容器和超級電容器組進(jìn)行測試，這樣能直觀地觀察出單體電容器與超級電容器組的運(yùn)行狀態(tài).

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對超級電容器進(jìn)行恒壓的充放電，并且能在充放電過程監(jiān)測超級電容器組或單體超級電容器的電壓、電流、溫度等參數(shù)，并能在上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時的顯示.測試系統(tǒng)整體由五個模塊組成，電源模塊，主要包括數(shù)控恒壓源；參數(shù)測量模塊，包括電壓、電流、以及溫度參數(shù)的測量；控制模塊，主要作用是控制充放電電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)不同量程切換；系統(tǒng)軟件，主要是由STM32與上位機(jī)軟件組成，主控芯片STM32主要負(fù)責(zé)參數(shù)的測量，上位機(jī)負(fù)責(zé)性能參數(shù)的顯示和數(shù)據(jù)圖像的繪制.系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 電壓電流測量電路設(shè)計(jì)

超級電容器充放電時刻的電壓和電流信號可以顯示出超級電容器的工作情況.該系統(tǒng)采用主控芯片STM32自帶的3路ADC對電壓信號進(jìn)行測量，STM32F103系列芯片自帶的ADC轉(zhuǎn)換精度為12位，轉(zhuǎn)換的最小電壓精度為0.014V,每路ADC具有16個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道，可以進(jìn)行16個信號源的轉(zhuǎn)換，滿足本監(jiān)控系統(tǒng)對電壓和點(diǎn)電流信號的數(shù)量和精度的要求[8].

在實(shí)際應(yīng)用中，普通電容器或超級電容器組的額定電壓值，將會超出主控芯片測量的閾值范圍.因此，要對其進(jìn)行電壓和電流的測量，需要將超級電容器組或普通電容器的端電壓進(jìn)行分壓至TTL電平范圍內(nèi)，以適應(yīng)ADC外設(shè)的電平采樣范圍.該系統(tǒng)采用高精度低溫漂的BWL EE型模壓線繞電阻、具有雙4選1 的CD4052模擬開關(guān)以及運(yùn)算放大器等組成的測量范圍可控的電阻分壓模塊，對超級電容器組的電壓進(jìn)行測量.圖2為電阻分壓模塊電路圖，其中U21為電壓跟隨器由OPA277運(yùn)算放大器構(gòu)成，電壓跟隨器的輸入阻抗很高，輸出阻抗很小，一方面可以減小輸入信號對測量質(zhì)量的影響.另一方面，可以減小ADC輸入阻抗對信號的影響.圖2中D20、D21組成保護(hù)電路，防止倒流損壞器件.

對于電流信號的測量，傳統(tǒng)的方法是將電流信號通過采樣電阻的分壓，轉(zhuǎn)換成電壓信號再進(jìn)行測量，這種方法運(yùn)行穩(wěn)定，但測量精度不高[9].第二種方法采用差分運(yùn)放電路對電流信號進(jìn)行測量，優(yōu)點(diǎn)是差分放大可以抑制零漂，可以提高測量精度，但是需要負(fù)電壓的輸入.綜合以上考慮，由于該文設(shè)計(jì)的超級電容器測試系統(tǒng)是通過測量數(shù)據(jù)對超級電容器運(yùn)行的性能來進(jìn)行分析，對于測量的數(shù)據(jù)精度有較高的要求，因此，該系統(tǒng)采用差分放大的方法進(jìn)行電流的測量.

圖2 電阻分壓電路

圖3 電流測量電路

1.3 數(shù)控電源的電路設(shè)計(jì)

該測試系統(tǒng)的電源模塊主要是數(shù)控直流穩(wěn)壓電源，主要功能是通過上位機(jī)的控制，能對超級電容器進(jìn)行恒壓的充電測試.數(shù)控直流穩(wěn)壓源主要是由LM2596開關(guān)調(diào)節(jié)器和LM358運(yùn)算放大器組成,LM2596開關(guān)調(diào)節(jié)器可以提供穩(wěn)定的直流電壓，運(yùn)用LM358可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控直流電壓調(diào)節(jié)，其控制邏輯是通過上位機(jī)控制STM32的DAC外設(shè)，通過DAC引腳輸出模擬電壓來調(diào)節(jié)數(shù)控穩(wěn)壓源的直流電壓.數(shù)控直流穩(wěn)壓電源可以為監(jiān)控系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電壓輸出，供超級電容器充電使用.數(shù)控可調(diào)穩(wěn)壓電源電路圖，如圖4所示.

圖4 數(shù)控可調(diào)穩(wěn)壓電源

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該測試系統(tǒng)軟件主要分為STM32嵌入式編程和QT編程，上位機(jī)由QT軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，QT是面向?qū)ο蟪绦蚧Z言,它具有優(yōu)良的跨平臺特性，能兼容Windows、Linux和UNIX等平臺，同時QT具有豐富的API，具有良好的擴(kuò)展性能[10].對于該測試系統(tǒng)，測試不同的超級電容儲能系統(tǒng)，需要進(jìn)行跨平臺的操作，因此采用QT平臺進(jìn)行上位機(jī)軟件的開發(fā)具有較好的發(fā)展前景.嵌入式編程主要流程如圖5所示，嵌入式編程分為主程序流程圖和串口中斷服務(wù)流程圖.在主程序的運(yùn)行過程中，首先需要對系統(tǒng)通信模塊、測量模塊、中斷和系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化.初始化完成后，等待串口中斷的到來，當(dāng)接收到上位機(jī)的合格指令時，由中斷服務(wù)程序進(jìn)行指令解析，并生成標(biāo)志，主程序根據(jù)不同的標(biāo)志，來運(yùn)行模塊的控制指令和參數(shù)的測量.上位機(jī)參數(shù)配置完成后，等待下位機(jī)測量完成信號，接收到測量完成信號后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，解析完成后，在上位機(jī)界面上顯示出超級電容器的性能參數(shù)，并繪制出I-t、U-t曲線，從而能夠更加直觀的觀察超級電容運(yùn)行的狀態(tài).

圖5 嵌入式軟件系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)測試

采用該測試系統(tǒng)分別對16V-1000 μf的普通電容器和2.7 V-1F的超級電容器進(jìn)行恒壓充放電測試，通過上位機(jī)中的數(shù)據(jù)曲線圖以及超級電容器在充放電過程中性能參數(shù)的變化，比較分析超級電容器測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確度、適用范圍.

首先，在25℃恒溫環(huán)境下，對單體普通電容器進(jìn)行預(yù)處理后，將待測電容完全放電[12]，在上位機(jī)上設(shè)置電壓和電流監(jiān)測量程以及數(shù)據(jù)采樣間隔，通過設(shè)置軟件控制數(shù)控恒壓源輸出10 V的直流電壓對16V-1000 μf的普通電容器進(jìn)行充電，并將充電電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值設(shè)置為1 kΩ，充放電為時間均設(shè)置為10 s，測得的充放電曲線如圖6所示.

圖6中(a)(b)為普通電容器恒壓充電10 s的電壓、電流充電曲線，(c)(d)為普通電容器充滿后放電10 s的電壓、電流曲線，通過計(jì)算可以得知，RC網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)為1τ，恒壓充電在4τ時，電容器的容量為總?cè)萘康?8.2%，根據(jù)圖(a)可以看出4 s時刻，電容器兩端的電壓為9.75V，占總?cè)萘康?7.5%，相對誤差為約為0.7%，測量精度符合電容器監(jiān)測精度范圍，系統(tǒng)可靠性較高.

圖6 16V-1000μf電容器恒壓充放電曲線圖

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，使用該系統(tǒng)對2.7 V-1F超級電容器進(jìn)行測試，充放電電阻網(wǎng)絡(luò)阻值均設(shè)置為10 Ω，并將預(yù)處理后的超級電容器進(jìn)行完全放電，上位機(jī)設(shè)置充電電壓為2.7 V，充放電時間均為15 s，參數(shù)設(shè)置完畢后，開始進(jìn)行充放電，測得的充放電曲線如圖7所示.

圖7中子圖(a)(b)分別為2.7 V-1 F的超級電容器恒壓充電的電壓、電流數(shù)據(jù)曲線，圖(c)(d)分別為超級電容器充電至15 s，放電15 s的電壓、電流曲線，從圖中可以看出，由于時間常數(shù)為10τ較大，計(jì)算可得恒壓充電完成需要近40 s的時間，因此，圖中的數(shù)據(jù)曲線較為平緩.

圖7 2.7 V-1 F超級電容器恒壓充放電曲線圖

比較圖6、7可以看出，該文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)能夠適用于普通電容器和超級電容器的監(jiān)測，并且在電流和電壓的每個量程都能穩(wěn)定的運(yùn)行，且圖像的數(shù)據(jù)曲線沒有較大的波動，測試系統(tǒng)能在恒壓的條件下穩(wěn)定運(yùn)行.

4 結(jié)論

該文分析了影響超級電容穩(wěn)定運(yùn)行的因素，設(shè)計(jì)了一套以STM32為主控芯片的超級電容器測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓的方式對超級電容進(jìn)器行充電，并能實(shí)時監(jiān)測超級電容器運(yùn)行的電壓和電流以及溫度的變化.測試系統(tǒng)提供了不同的電壓、電流測量范圍，在使用時可以根據(jù)所需要測量的范圍自行切換，在測試超級電容器性能指標(biāo)時，可以根據(jù)精度需要，更改超級電容器充放電時間及數(shù)據(jù)采樣間隔，在測試完成后可以通過保存按鈕，將需要的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行保存.實(shí)驗(yàn)部分采用測試系統(tǒng)分別對普通電容器和超級電容器進(jìn)行測試，通過對上位機(jī)顯示的性能參數(shù)和數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行分析比較，可以得出，該超級電容器測試系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，操作靈活方便，測試范圍廣，能夠達(dá)到預(yù)期的測試效果.