王 凱， 張 莉， 李 琛

（大連理工大學(xué) 電氣工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，遼寧 大連 116024）

超級電容器是一種具有高能量密度的新型儲能元器件，具有比常規(guī)電容器更大的比容量，比蓄電池更高的比功率，是一種兼?zhèn)潇o電電容和電池優(yōu)良特性的新型元件[1]。它可提供超大能量，并可以在極短的時間內(nèi)釋放，使用壽命長，環(huán)境友好，因此在混合動力電動車、脈沖電源系統(tǒng)和應(yīng)急電源等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在諸多超級電容器的測試方法研究中，恒流循環(huán)充放電測試法是一種比較直觀、準(zhǔn)確的測試方法，也是其主要的測試方法[2]。通過在超級電容器上施加恒定的電流，對超級電容器進行充放電試驗，研究超級電容端電壓隨時間變化的規(guī)律可以分析獲得超級電容器在不同電流下的容量、容量隨充放電電流變化的衰減程度、等效串聯(lián)電阻等參數(shù)[3]。

目前我國在超級電容器的研究方面尚處于初級階段，針對超級電容器的性能測試和實驗研究手段還不完備，如缺乏大電流快速充電測試裝置等[4－5]，筆者針對超級電容器的性能測試，設(shè)計了一種基于單片機控制的測試系統(tǒng)，可對超級電容器進行恒流充電測試。該系統(tǒng)采用PIC18F452單片機控制，通過對輸出電流和輸出電壓實時監(jiān)控，實時調(diào)整輸出電流值，從而提高恒流輸出的精度。由于供電電源功率的限制，系統(tǒng)的恒流輸出范圍是 0～3 A，0～110 V。

1 系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理

系統(tǒng)主要由PIC系統(tǒng)、恒流充電主電路、開關(guān)電源模塊電路、電壓及電流檢測電路、液晶顯示電路、鍵盤電路等組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Structure diagram of system

系統(tǒng)的工作流程是：系統(tǒng)上電復(fù)位后，先設(shè)定充電電流，首先設(shè)定充放電起止電壓值和充電電流值。然后，空載調(diào)整到設(shè)定值，啟動充電功能。在充電工作過程中，電流檢測電路跟蹤采樣充放電電路中的實際電流值，并與設(shè)定值比較，實時步進修正改變輸入的參考電壓值。電壓檢測電路跟蹤采樣超級電容器兩端的電壓值，與設(shè)定值比較，當(dāng)?shù)扔诨蚋哂谠O(shè)定值時則停止充電。

本恒流源可以使用單片機與電腦進行通信，將采集到的負載的端電壓電壓和電流的實時分別采樣進行實時存儲和處理，在充電結(jié)束后繪制成充電特性曲線和電流穩(wěn)定性曲線。

2 恒流源主電路

在恒流源電路中，采用運放控制功率管的開關(guān)狀態(tài)，來實現(xiàn)穩(wěn)流功能，這種電路能產(chǎn)生高精度的大電流，滿足設(shè)計的要求[6]。原理圖如圖2所示。其中，Ui是控制電壓，Io輸出電流，A1、A2是LM324的兩個運放。控制電壓是由單片機輸出，大小由用戶設(shè)定。

圖2 恒流電路原理圖Fig.2 Theory diagram of constant current circuit

Ui輸入給運放A1，經(jīng)放大后控制MOS管的導(dǎo)通程度，產(chǎn)生輸出電流Id[7]。輸出電流在采樣電阻R4兩端產(chǎn)生采樣電壓，經(jīng)過放大反饋給運放A1的同相輸入端，對輸出電流進行調(diào)整，起到穩(wěn)流作用。同時將采樣電阻上獲得的采樣電壓送入單片機，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理對輸出控制電壓進行二次調(diào)整。其流程圖如圖3所示。

圖3 流程圖Fig.3 Flow chart

根據(jù)理想運放的虛短、虛斷原則，可推導(dǎo)出控制電壓Ui與輸出電流Id關(guān)系如下：

選取 R2為 1 kΩ，R1為 10 kΩ，R3為 1 Ω， 為了保證電流輸出的穩(wěn)定性R4為0.1 Ω功率為5 W的精密水泥電阻，則

即 Id≈0.909 Ui

MOSFET 選用 IRFP460，Id=20 A，Rds（on）＜0.27 Ω 方便電路進一步擴展電流值。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性在MOSFET管加散熱片和風(fēng)扇以及使用兩個MOSFET或多個并聯(lián)可以很好地提高電流的穩(wěn)定性。

3 試驗測試與結(jié)果分析

對設(shè)計的電路進行試驗，并把所測得值繪制出圖形，如圖4所示。

圖4 參考電壓和恒流電流曲線Fig.4 Curve between reference voltage and constant current

分析圖像，可知曲線為近似線性，這反映了理論值與實際值還有一定的差距?？蓱?yīng)用理論值進行輸入，然后根據(jù)與設(shè)定值的差距不斷地進行步進調(diào)整，來消除理論和實際值的差距。

由于運算放大器的虛短與虛斷是應(yīng)用于絕對理想下情況[7]，因MOSFET隨著溫度的變化特性會變化，以及電阻隨溫度變化產(chǎn)生一定的變化原因，所以輸出的Id與Ui并不呈現(xiàn)絕對的線性而是近似的線性。但此系統(tǒng)構(gòu)成的恒流源由單片機對輸出進行檢測實時調(diào)節(jié)輸入，以及運放本身存在的負反饋，由于此雙重反饋，完全可以去弱化和消除前面原因?qū)﹄娏鲙淼牟环€(wěn)定性。

4 恒流源穩(wěn)定性試驗

本恒流源穩(wěn)定性試驗應(yīng)用對電容量為0.68 F，額定電壓為80 V的超級電容器充電的電壓進行驗證。

當(dāng)設(shè)定Id為2.135 A，由示波器采集超級電容器兩端的電壓的波形如圖5所示。

圖5 恒定2.335 A的波形Fig.5 Waveform under the current of 2.335A

由圖像可得出可應(yīng)用于超級電容器負載的充電試驗，恒流源穩(wěn)定性能好。所測得波形線性較好。同時也可以看出恒流源精度高，可以用來作為超級電容器的恒流充電設(shè)備。

5 結(jié) 論

筆者設(shè)計了一種智能化控制的恒流充電測試裝置，可用于儲能元件如超級電容器和蓄電池等的恒流充電性能測試，并在實際應(yīng)用中效果良好。該電路具有結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，精度高的特點。

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