張俊杰，牛紅濤，郭乃理

（1.四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.中國測(cè)試技術(shù)研究院 四川 成都 610021）

超級(jí)電容電池作為新型儲(chǔ)能裝置，具有充電速度快，循環(huán)使用壽命長，超低溫性能好，使用方便，無環(huán)境污染等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于石油資源日趨短缺，并且燃燒石油對(duì)環(huán)境危害越來越嚴(yán)重，機(jī)動(dòng)車工業(yè)對(duì)以新能源作為動(dòng)力源的需求越來越緊迫，我國正逐步加快新能源技術(shù)的研發(fā)，超級(jí)電容電池的諸多優(yōu)點(diǎn)將使其得到廣泛的推廣和應(yīng)用。

目前，國內(nèi)對(duì)于超級(jí)電容電池的容量檢測(cè)并沒有形成一套完整的自動(dòng)化系統(tǒng)，且現(xiàn)有的電池檢測(cè)方法并不適用于超級(jí)電容電池的容量測(cè)試[1-3]，本文提出以STC89C52RC單片機(jī)為核心控制器件，通過A/D轉(zhuǎn)換芯片采集電流、電壓信息，以USB轉(zhuǎn)RS232實(shí)現(xiàn)串口通信，采用繼電器實(shí)現(xiàn)充放電過程自動(dòng)切換的自動(dòng)化在線檢測(cè)裝置[4-7]。

1 容量測(cè)試方法及系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖1為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖，計(jì)算機(jī)與單片機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)通過USB轉(zhuǎn)串口相互傳輸數(shù)據(jù)，單片機(jī)通過判斷計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)來控制繼電器的開啟和關(guān)閉，充電時(shí)溫度傳感器采集數(shù)據(jù)并傳輸給自動(dòng)控制系統(tǒng)，充電完成后，被測(cè)電容電池對(duì)直流電子負(fù)載放電，整個(gè)過程中檢測(cè)裝置與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)始終保持串口通信，檢測(cè)裝置通過A/D轉(zhuǎn)換器將信息傳遞到計(jì)算機(jī)上顯示，檢測(cè)結(jié)束后檢測(cè)軟件自動(dòng)生成放電曲線，并計(jì)算得出電池容量。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall system structure

1.2 容量測(cè)試方法及流程

測(cè)試過程分為充電過程和放電過程。

充電過程中，裝置采用IT6532A型電源為超級(jí)電容電池充電，此電源為艾德克斯電子有限公司生產(chǎn)的IT6500A系列可編程大功率電源供應(yīng)器，此系列電源輸出功率大，且配有標(biāo)準(zhǔn)的RS232/USB/GPIB/Ethernet通訊接口，IT6532A型電源輸出額定電壓為0～80 V，輸出額定電流為0～240 A，連接電池后先以恒定電流進(jìn)行充電至電壓達(dá)到15 V，然后以端電壓15.00 V±0.10 V（限流I，即2hr率電流）的恒定電壓連續(xù)充電2 h。電池充滿。

放電過程中，系統(tǒng)采用IT8818型負(fù)載對(duì)電容電池放電，IT8818型負(fù)載為艾德克斯電子有限公司生產(chǎn)的直流可編程電子負(fù)載，額定輸入電壓為0～120 V，額定輸入電流為0～480 A。通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)定輸入電流對(duì)電池進(jìn)行放電，電池電壓下降，當(dāng)電壓傳感器檢測(cè)到電池電壓低于10.5 V時(shí)，繼電器斷開，放電結(jié)束。

根據(jù)電池容量C＝放電電池I（恒流）×放電時(shí)間 T（小時(shí)）即可計(jì)算出此電池的容量。

超級(jí)電容電池低溫特性測(cè)試方法：將電池完全充電后在（－30±1）℃環(huán)境中保持6小時(shí)，用電子負(fù)載以恒定電流進(jìn)行放電至電池端電壓達(dá)10.50 V，記錄電池放電時(shí)間并計(jì)算出電池的實(shí)際容量。

高倍率放電能力測(cè)試方法：充電后靜置4hr；以4I的電流放電至蓄電池端電壓為10.5 V；記錄放電持續(xù)時(shí)間并計(jì)算得出電池容量。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)作為控制核心，通過兩個(gè)繼電器RL1與RL2實(shí)現(xiàn)對(duì)電源及負(fù)載的連接，RL1與電源相連接，起到對(duì)電源的控制作用；RL2與電子負(fù)載相連接，起到對(duì)負(fù)載的控制。利用芯片74HC573來選擇工作繼電器，使用外部驅(qū)動(dòng)電源提供電流給繼電器以控制其關(guān)斷或打開。溫度傳感器通過單片機(jī)引腳將測(cè)試過程中的電池表面溫度反饋至單片機(jī)，以保證電池的安全。為實(shí)現(xiàn)充放電過程中對(duì)電池的實(shí)時(shí)控制以及對(duì)電池的電壓電流等各個(gè)參數(shù)的顯示，系統(tǒng)采用CHV－25P霍爾電壓傳感器以及CSM300B霍爾電流傳感器，經(jīng)過運(yùn)算放大器后接到芯片ADC7705（16位串行轉(zhuǎn)換芯片）的輸入引腳，并通過單片機(jī)串口直接顯示在計(jì)算機(jī)上。通過單片機(jī)對(duì)放電電流和放電時(shí)間的積分運(yùn)算可求得放出的電量。

STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，以8051為內(nèi)核的新一代51單片機(jī)。作為傳統(tǒng)8051內(nèi)核的增強(qiáng)型單片機(jī)，STC89C52RC單片機(jī)具備超強(qiáng)的抗干擾能力，運(yùn)用在電氣系統(tǒng)中，滿足復(fù)雜電磁環(huán)境下可靠性的要求。同時(shí)該單片機(jī)內(nèi)部MAX810復(fù)位電路，免去外接復(fù)位電路，簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。單片機(jī)上已集成有大容量的ROM和RAM存儲(chǔ)器，為程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理提供充足的空間。

2.2 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

如圖2所示，繼電器RL1與電源串聯(lián)，RL2與負(fù)載串聯(lián)，并聯(lián)后連接于電路中，電容電池連接在干路中，充電時(shí)，RL1處于常閉狀態(tài)時(shí)電源與電池接通，RL2處于常開狀態(tài)，充電完成后，繼電器RL1斷開，RL2處于常閉，連接電池與負(fù)載，并對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電。放點(diǎn)結(jié)束后，繼電器RL2斷開，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

利用芯片74HC573鎖存功能實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的選擇，74HC573是是一種高性能硅門CMOS器件，工作電壓為2～6 V，D0～D7為信號(hào)輸入端口，Q0～Q7為輸出端，11引腳 LE為鎖存控制端，當(dāng)其為高電平時(shí)，Q輸出將隨數(shù)據(jù)（D）輸入而變。當(dāng)其為低電平時(shí)，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。引腳Q0與Q1分別接RL1與RL2，輸入端D0與D1連接單片機(jī)的P1.0與P1.1。通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的控制。

圖2 繼電器驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 Relay drive circuit

圖3 溫度傳感器Fig.3 Temperature sensor

2.3 溫度傳感器

溫度傳感器DS18B20具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)，且僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與DS18B20的雙向通訊。本實(shí)驗(yàn)中將溫度傳感器的DQ引腳與單片機(jī)的P2.1端口相連接實(shí)現(xiàn)數(shù)字的輸入輸出。

2.4 STC89C52和A/D接口電路

此電路為整個(gè)超級(jí)電容電池檢測(cè)系統(tǒng)的核心控制，主要包括單片機(jī)STC89C52，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7705，CSM300B霍爾電流傳感器，CHV-25P/400電壓傳感器，AD7705為完整16位、低成本、Σ-Δ型ADC，適合直流和低頻交流測(cè)量應(yīng)用。其具有低功耗（3 V時(shí)最大值為1 mW）特性，應(yīng)用于低頻測(cè)量的2/3通道的模擬前端，該器件可以接受直接來自傳感器的低電平的輸入信號(hào)，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出。AD7705有兩個(gè)模擬輸入對(duì)，即 AIN1（+），AIN1（-）和 AIN2（+），AIN2（-），在此使用 AIN1（+）和 AIN1（-）接電流傳感器，AIN2（+）和AIN2（-）接電壓傳感器，將傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)通過引腳輸入單片機(jī)，再經(jīng)過串口通信顯示在計(jì)算機(jī)上。

圖4 A/D芯片與單片機(jī)連接Fig.4 Connection of A/D chip and single chip microcomputer

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software flow pattern

3 軟件設(shè)計(jì)

圖5為這個(gè)系統(tǒng)的軟件流程圖，由此軟件功能測(cè)試出電池的放電時(shí)間與放電電流，積分后得出電池的實(shí)際容量。

打開測(cè)試軟件后，輸入設(shè)定參數(shù)，電壓、電流。時(shí)間等，對(duì)電池進(jìn)行預(yù)處理，放完電池內(nèi)原有電量。對(duì)電池進(jìn)行充電，通過A/D轉(zhuǎn)換芯片、單片機(jī)與電腦保持實(shí)時(shí)通信，此過程中電池由于恒流充電和恒壓充電，電量增加，溫度會(huì)升高，溫度傳感器將電池表面溫度顯示于計(jì)算機(jī)，若超過設(shè)定溫度，單片機(jī)通過芯片驅(qū)動(dòng)繼電器停止充電，正常充電后，保存充電數(shù)據(jù)于計(jì)算機(jī)的軟件中，繼電器RL1斷開，RL2閉合，電池與電子負(fù)載連接進(jìn)入放電模式，電池以恒定電流對(duì)負(fù)載放電，直到電壓低于10.5 V時(shí)，繼電器斷開，放電過程結(jié)束，存儲(chǔ)放電數(shù)據(jù)，且直接在測(cè)試軟件上生成放電曲線，將放電電流與放電時(shí)間積分，即可得到電池的實(shí)際容量。

圖6 實(shí)際容量測(cè)試放電曲線Fig.6 The actual capacity test discharge curve

4 測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用一個(gè)額定容量為10 Ah、額定電壓為12 V、質(zhì)量為4.330 kg的超級(jí)電容電池。將電池完全充電后，在恒溫環(huán)境中靜置至表面溫度為（25±2）℃，用電子負(fù)載以I=5 A電流進(jìn)行放電至電池端電壓達(dá)10.50 V，記錄放電時(shí)間，得出放電容量為12.10 Ah，圖6為電池常溫放電曲線。

進(jìn)行低溫測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，將電池完全充電后在（-30±1）℃環(huán)境中保持6小時(shí)，用電子負(fù)載以I=5 A電流進(jìn)行放電至電池端電壓達(dá)10.50 V，記錄放電時(shí)間得出低溫容量為6.12 Ah，放電曲線如圖7所示。

圖7 低溫特性測(cè)試放電曲線Fig.7 The low temperature characteristic testing discharge curve

進(jìn)行高倍率放電能力測(cè)試時(shí)，將電池完全充電后在（25±2）℃環(huán)境中保持4小時(shí)，用電子負(fù)載分別以10 A、15 A、20 A電流進(jìn)行放電至電池端電壓達(dá)10.50 V，記錄電池放電時(shí)間和實(shí)際容量，如表1所示。

表1 高倍率放電能力測(cè)試結(jié)果Tab.1 High discharge capacity test results

5 結(jié)束語

文中提出一種用于超級(jí)電容電池容量測(cè)試的單片機(jī)充放電控制系統(tǒng)，在規(guī)定溫度條件下，通過放電電流與時(shí)間的積分得出電池的實(shí)際容量，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，安全系數(shù)高，對(duì)電池的檢測(cè)系統(tǒng)及方法有重要意義。

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