李明興,牛紅濤,王 林,張俊杰

（1.四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065；2.中國測試技術研究院 四川 成都 610021）

超級電容電池組容量測試監(jiān)控系統(tǒng)研究

李明興1,牛紅濤2,王 林2,張俊杰1

（1.四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065；2.中國測試技術研究院 四川 成都 610021）

超級電容電池為一種新型大容量儲能裝置，往往配組成電池組使用，電池組容量是其關鍵的性能指標，目前國內(nèi)對于超級電容電池組容量檢測自動化程度不高。文章總結單體電容電池容量的測試方法和標準，分析了電池配組后影響電池組容量的因素，設計了一種基于單片機的超級電容電池組容量測試的過程監(jiān)測控制系統(tǒng)，并通過實驗驗證系統(tǒng)實用性。

超級電容電池；容量測試；單片機；自動監(jiān)測

超級電容電池由叫雙電層電容器,是一種新型的大容量儲能裝置。相比常規(guī)的儲能裝置,超級電容電池具有充電快,容量大、使用壽命長,對環(huán)境無污染等優(yōu)點,在電力驅(qū)動汽車領域應用已越來越廣泛[1]。實際應用中,超級電容電池通常以配組的形式提供較大驅(qū)動功率,配組容量是其關鍵的性能指標。因此對超級電容電池組的容量檢測具有重要意義。

目前對超級電容電池容量檢測標準已有一些研究[1],但是對于電容電池組的容量測試還沒有形成一套自動化的測試系統(tǒng),很多工作需要人工操作。電池組的測試不同于單體電池測試,需要測量影響電池組容量的多個參數(shù)。本文首先分析影響電池組容量的因素,繼而提出一種基于STC89C52RC單片機的電池組容量自動測試系統(tǒng)[2]。

1 電池組容量影響因素與測試原理

電池容量是一個多變量、復雜和非線性的量,它會受到溫度、放電率、終止電壓、循環(huán)次數(shù)等因素的影響[3-7]。對于電池組而言,除了上述因素外,還要考慮到單體電池的性能差異對于電池組的容量的影響。即便是同一批次的電池產(chǎn)品,也存在著電池歐姆內(nèi)阻、容量差異、極化差異。這些差異直接導致單體電池不能同時到達終止電壓而影響電池組的容量,甚至危害電池組壽命。

測試方法和原理：

類似于其他類型電池的容量測試方法,超級電容電池組的容量測試通常需要進行以下幾個測試過程：常溫環(huán)境的充電和放電能力測試、高倍率放電測試、-15℃下放電測試和-30℃下放電測試。電池容量表示為放電電流對于放電時間的積分,當恒流放電時可按照：

容量C(Ah)=放電電流I(A)×放電時間T(h)計算得出。

2 系統(tǒng)整體設計

本系統(tǒng)能夠在超級電容電池組充放電測試過程中實時監(jiān)測各單體電容電池的電壓、電流和溫度信息,并實時顯示。能夠設計操作流程并自動切換電池組的充放電回路,實現(xiàn)與上位計算機雙向通信,通過交互界面對系統(tǒng)設置并將測試數(shù)據(jù)保存。系統(tǒng)的整體結構如圖1所示。

直流電源和負載采用艾德克斯電子有限公司的大功率可編程裝置IT6532A充電電源和IT8818負載對電池組進行充

電和放電。設備帶有遠端的電壓電流傳感器,利用它可以及時測量出電池組的端電壓和通過的電流。且設備自帶RS232/ USB/GPIB/Ethernet通訊接口與計算機互聯(lián),通過計算機程序?qū)ζ溥M行設置和數(shù)據(jù)存儲。單片機控制系統(tǒng)同時測出個單體電池的電壓電流和溫度參數(shù),在實時顯示的同時,將數(shù)據(jù)傳送給計算機。

圖1 系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the system

3 硬件系統(tǒng)

3.1 電壓電流信號通道設計

超級電容電池組在容量測試過程中,電池組的電壓均大于50 V,采用電阻分壓的方式將電壓信號降低為2.5 V以下。系統(tǒng)采用Σ-Δ型AD轉(zhuǎn)換器AD7705作為信號的轉(zhuǎn)換芯片, AD7705是16位串行輸出,具有高轉(zhuǎn)換分辨率,自校準、增益可調(diào)、優(yōu)良的抗噪聲能力以及低電壓低功耗優(yōu)點[8-10]。AD7705采用雙路差分信號輸入,本設計將雙信號通道負端共地,同時輸入單體電池的電壓和電流信號,AD在一個掃描周期內(nèi)先對電壓信號轉(zhuǎn)換,然后轉(zhuǎn)換電流信號。電源VCC通過REF192參考穩(wěn)壓芯片輸出穩(wěn)定的2.5 V作為AD7705的參考電壓。本設計在信號輸入AD之前,四路電池信號首先多路模擬開關,以實現(xiàn)分時對多信號的采集。本設計采用的是CD4052雙4選1多路開關,單片機控制CD4052的使能端和控制端口,同一時間可以使兩路信號導通,即同一電池的電壓和電流信號。AD7705的時序、片選和控制端口需要單片機5個I/O口相連。因此單片機P0口低5位控制AD7705,高3位控制CD4052芯片,如圖2所示。

圖2 電壓電流測量電路Fig.2 Circuit of voltage and current testing

單片機采用STC89C52RC芯片,STC89C52RC是一款高性能、低功耗CMOS8位處理器,具有8K字節(jié)程序存儲空間, 512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間和2k字節(jié)的EEPROM存儲空間,其價格低廉,支持和計算機的通訊,無需專用仿真器和下載器,通過串口可直接對單片機進行程序燒錄,是一款應用非常廣泛的微處理器。單片機P0口接上拉電阻后控制電壓電流的信號通道,P2口作為LCD的數(shù)據(jù)輸入,P1低四位作LCD的控制端口,高四位做溫度信號輸入,P3口作繼電器控制信號輸入和通信功能。

3.2 溫度測量

溫度測量采用dallas公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20[11]。相比于模擬式溫度傳感器,DS18B20具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強以及精度高等優(yōu)點。

DS18B20的單總線可以直接與單片機的IO口相連實現(xiàn)雙向通信。本系統(tǒng)使用的四路溫度信號與單片機P1的高四位并行連接。

3.3 繼電器驅(qū)動

采用直流繼電器去控制大電流回路的導通和關閉,實現(xiàn)充放電通路的自動切換。繼電器采用高耐壓、大電流達林頓管陣列芯片ULN2003驅(qū)動。ULN2003由7個硅NPN達林頓管組成,每一個達林頓管串聯(lián)一個2.7K基極電阻,輸出端帶有續(xù)流二極管,輸出可達500 mA電流并承受50 V的電壓,具有強大的帶負載能力。

4 軟件設計

軟件的設計主要是完成充放電的參數(shù)設置和控制。軟件流程圖如圖3所示。啟動本系統(tǒng),包括監(jiān)控系統(tǒng),以及直流電源和直流負載,然后通過交互界面設置充放電工步,以及控制

參數(shù)。電池在經(jīng)過預處理達到測試要求后,系統(tǒng)通過直流電源對被測電池組進行充電,然后切換接通直流負載對電池組放電。整個過程中,LCD會顯示各單體電池的溫度、電壓和電流信號,同時數(shù)據(jù)傳送給計算顯示存儲,包括電池組端電壓、電流以及容量。當系統(tǒng)檢測到的參數(shù)與設定的參數(shù)條件一致時,計算機向單片機發(fā)出控制指令,對兩個回路中的繼電器進行開閉控制。當測試結束后,將數(shù)據(jù)保存在計算機存儲器中。

圖3 軟件系統(tǒng)工作流程圖Fig.3 Software work flow chart of the system

5 測試結果與分析

采用本裝置對四川能寶電源制造有限公司生產(chǎn)的12V20AH的動力型超級電容電池進行測試,采用四個單體電池串聯(lián)的形式配組成電池組。對電池組按照測量標準進行容量測試。

5.1 常溫充放電測試

在25±2℃的恒溫環(huán)境下,對電池組預處理后,首先將電池組完全充電,待電池表面溫度穩(wěn)定在25±2℃時,通過直流電子負載以10 A電流放電至端電壓為42 V為止,得到電池組的實際放電容量為20.441 3 Ah,測得放電曲線如圖4所示。

圖4 常溫放電曲線Fig.4 Discharge curve at room temperature

5.2 低溫容量測試

首先將電池完全充電,在-15℃和-30℃恒溫環(huán)境中保持6小時,以直流負載按10 A電流放電直到電池組端電壓降為 42 V截止。測得-15℃情況下,電池組的輸出容量為15.8111 Ah。在-30℃環(huán)境下測得的輸出容量為10.6702 Ah,測試的放電曲線如圖5～6所示。

圖5 -15℃低溫放電曲線Fig.5 Discharge curve at minus 15℃

圖6 -30℃低溫放電曲線Fig.6 Discharge curve at minus 30℃

5.3 高倍率放電能力測試

將電池常溫下完全充電,在25℃±2℃的環(huán)境中靜置4小時,然后以40 A電流通過直流負載放電至端電壓降為42 V,記錄放電時間為20 min35 s,放電容量為13.712 5 Ah。測試的放電曲線如圖7所示。

圖7 大電流放電曲線圖Fig.7 Large current discharge graph

比較圖4、圖5和圖6,可以看出,電池組在相同電流放電的情況下,在25℃、-15℃和-30℃下,放電電壓依次降低,電池容量也依次下降,這是由于電池材料的電化學活性受溫度降低的影響而降低,導致電池容量下降。比較圖5和圖7,可

以看出,在相同溫度條件下對電池組進行放電測試,由于放電電流增大,電池的極化效應更加明顯,導致電池端電壓明顯下降,從而影響電池組的容量。以上測試可以顯示,超級電容電池能夠在-30℃下放出的電量達額定容量的50%以上,在4倍額定電流放電情況下至少持續(xù)20分鐘。測試結果顯示超級電容電池組具有較好的應用潛力。

6 結論

本文在分析了影響超級電容電池組容量的因素之外,設計了一套基于單片機對超級電容電池組容量自動測試的系統(tǒng),能夠?qū)崟r檢測、顯示并保存單體電池的性能參數(shù),系統(tǒng)具備良好的人機交互性能,方便設置測試操作流程。最后通過對四川能寶電源制造有限公司的12 V20 Ah的4個超級電容串聯(lián)電池組進行測試,能夠達到預期的測試效果。

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Research of monitoring system for capacity detection of supercapacitor battery pack

LI Ming-xing1,NIU Hong-tao2,WANG Lin2,ZHANG Jun-jie1
(1.School of Manufacturing Science&Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China；2.National Institute of Measurement and Testing Technology,Chengdu 610021,China)

Supercapacitor battery is a new type of energy storage device with large capacity.Battery cells are usually put together in parallel or in series as a battery pack for use.Capacity of a battery pack is considered as a key performance index. Currently,the automation level of capacity detection of supercapacitor battery pack is not high in the domestic market.The standards and methods of capacity detection are firstly summarized in this paper.Then the factors which affect the capacity of the battery pack are analyzed.A monitoring system for capacity detection of supercapacitor battery pack based on microcontrollers was designed,tested and verified by experiments.

supercapacitor battery；capacity detection；single-chip microcomputer；automatic detection device

TN709

：A

:1674-6236(2015)23-0088-04

2015-03-03稿件編號：201503055

四川省科技支撐計劃項目(2014GZ0001)

李明興(1990—)，男，四川宜賓人，碩士。研究方向：測控技術與儀器。