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[導(dǎo)讀]本文給出一種車載超級電容測試系統(tǒng),該系統(tǒng)采用基于磁補(bǔ)償原理的霍爾閉環(huán)電流、電壓傳感器采集總線信號,以抗高壓脈沖干擾的STC51高速單片機(jī)進(jìn)行信號處理

    伴隨著科技的進(jìn)步,電動(dòng)汽車技術(shù)得到迅速的發(fā)展,相比內(nèi)燃機(jī)汽車,電動(dòng)汽車具有零排放、高性能效率、低噪聲、低熱輻射、易操縱和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),將是未來汽車發(fā)展的方向,也是現(xiàn)行研究的熱點(diǎn)。 

    電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池有如下三類: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(bǔ)性[1]。單一使用蓄電池、繞料電池或者超級電容,難以用作電動(dòng)汽車的動(dòng)力源?;旌想姵厥且槐容^理想的解決方法,采用混合電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),特別利用超級電容快速充放電能實(shí)現(xiàn)汽車制動(dòng)能量回收,以及燃料電池超大能量密度支持汽車持久行駛,使得燃料電池/超級電容組成的混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)的最佳方案[2]。 

    對于車載用電源,為達(dá)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,伴隨著電容串級的提升,電池整體電壓也隨之提高,對于車載電池,超級電容工作電壓常達(dá)到幾百伏,而這樣高峰值的電壓引起的波動(dòng)會帶來強(qiáng)烈的電磁干擾,為電容組件的檢測帶來很大的困難,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,如中型客車用超級電容以150A電流放電時(shí),端電壓會在1分鐘之內(nèi)由300V減到70V,而200V恒壓沖電時(shí)電流也會在幾分鐘內(nèi)由50A增大到150A左右,這樣迅速的充放電速度和幅度帶來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(tǒng),通過對超級電容組件進(jìn)行充放電循環(huán)試驗(yàn)采集其電壓、電流參數(shù)、并與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對比,從而驗(yàn)證出本檢測系統(tǒng)能在強(qiáng)電壓電流變化情況下快速實(shí)現(xiàn)較高的檢測精度。 

1 檢測系統(tǒng)原理及各模塊實(shí)現(xiàn) 

1.1 檢測對象
 

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

1.2 系統(tǒng)原理介紹
 

     超級電容管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)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(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,系統(tǒng)共由3個(gè)主要模塊組成:現(xiàn)場電壓、電流、采集與調(diào)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(nèi)、霍爾電壓、霍爾電流傳感器分別為超級電容電壓和電流進(jìn)行現(xiàn)場采集,采集信號經(jīng)過儀用放大、然后轉(zhuǎn)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(nèi),采集模塊發(fā)送的4mA-20mA電流信號,經(jīng)過電流電壓變換后,再進(jìn)行隔離放大、AD轉(zhuǎn)換并送到MCU,MCU將數(shù)據(jù)處理后通過CAN接口傳送到上位機(jī),當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)異常時(shí)MCU輸出故障信號,以便工作人員能及時(shí)采取措施,電源管理模塊為各功能模塊提供穩(wěn)定隔離的電壓,增加RS232通信串口,以便MCU程序燒錄。 超級電容管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.3 各主要模塊的實(shí)現(xiàn) 

     本測試系統(tǒng)分別采用四塊電路板,以實(shí)現(xiàn)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(diào)理板、中央處理板以及電源板,下邊著重介紹電壓、電流采集模塊和中央處理模塊的實(shí)現(xiàn)。 

1.3.1 采集模塊的實(shí)現(xiàn)


      采集模塊包括總線電流的采集、總線電壓的采集兩個(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(tǒng),比傳統(tǒng)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(qiáng),本文選用Honywell公司的基于磁補(bǔ)償原理的霍爾閉環(huán)電流傳感器CSNK591,測量范圍±1200A,線性精度達(dá)到0.1%,總體精度達(dá)到0.5%,響應(yīng)速度小于1μs,完全滿足了系統(tǒng)的要求。采集信號經(jīng)精密電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺儆蓛x用放大器放大為±5V雙極性電壓信號,系統(tǒng)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(qiáng)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OP27GS芯片抬升至0-10V單極性信號,經(jīng)過射極跟隨器送至變送器XTR110KU,轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)?mA-20mA電流信號,是考慮到與工業(yè)接口標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一,并采用電流傳感抗干擾能力強(qiáng)。

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

電流采集原理圖

1.3.2 中央處理模塊實(shí)現(xiàn)

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

電壓信號

     采集模塊輸入的4mA-20mA電流信號首先經(jīng)過模擬信號二次調(diào)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、線性光耦以及電壓頻率轉(zhuǎn)化,其中隔離放大器和線性光耦隔離電壓高、抗干擾能力強(qiáng)、線性度高,但線性光耦隔離線路復(fù)雜,需要調(diào)整的參數(shù)較多,并且當(dāng)輸出電壓比較小時(shí),線性度較差,故本文選用BB公司高精度ISO124U隔離運(yùn)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電路過濾高頻干擾,隨后通過一射極跟隨器送出。

     二次調(diào)理后的采集信號,經(jīng)過12位高速AD7891送至MCU,MCU對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將數(shù)據(jù)通過CAN接口傳送到上位機(jī),單片機(jī)選用STC系列8位高速單片機(jī)STC89C58RD+。該單片機(jī)具有強(qiáng)抗干擾性,4kV快速脈沖干擾(EFT)和高抗靜電(ESD),可通過6000V靜電,很好地滿足了超級電容高電壓大電流的工作環(huán)境,該單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)6時(shí)鐘模式,在本系統(tǒng)采用24M晶振情況下,單片機(jī)工作頻率可達(dá)到4MIPS,相當(dāng)于普通51系列單片機(jī)運(yùn)行速度的4倍。

     另外,測試系統(tǒng)設(shè)置3通道故障診斷輸出,能顯示欠壓、過壓、過流等狀態(tài),測試系統(tǒng)與上位機(jī)采用抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好的CAN通信方式,保證測試系統(tǒng)送入上位機(jī)數(shù)據(jù)的可靠性。

     實(shí)際系統(tǒng)有模擬±15V,數(shù)字±5V,模擬±12V供電需求,電源管理模塊在提供系統(tǒng)各部分所需電壓的同時(shí),進(jìn)行模擬、數(shù)字電路隔離,從而避免兩類電壓互相影響,各部分電源入口都增加了TVS保護(hù),防止浪涌電壓對系統(tǒng)的損壞,同時(shí)在諸多電源入口處設(shè)置相應(yīng)的濾波電路,如在AD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,外部連線均采用屏蔽線,能較強(qiáng)地屏蔽線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(biāo)準(zhǔn)航空接頭與外界聯(lián)線,這樣在保護(hù)電路板的同時(shí)隔離外界磁場。

2 測試系統(tǒng)實(shí)測結(jié)果對比及分析

 2.1 測試內(nèi)容


     實(shí)驗(yàn)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(dāng)總線電壓達(dá)到300V時(shí),轉(zhuǎn)為恒壓充電,當(dāng)總線電流降低到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(yàn)結(jié)果及分析

     

 
圖4、圖5、圖6給出了兩種情況下的測試曲線對比,其中,圖4表示70A和150A的兩種標(biāo)準(zhǔn)測試情況下,電流的變化曲線,圖5、圖6表示兩種情況下,電壓曲線特性,可以看出兩者的匹配程度很好,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(tǒng)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(nèi)并且僅靠單體電容,電容充放電時(shí)產(chǎn)生的噪聲干擾比較嚴(yán)重,同時(shí),霍爾電流傳感器孔徑較大,穿過電流總線后仍有一定空隙,在一定程度上影響了測試精度,對比各組電流曲線,可以看出隨著電流的增大,測試結(jié)果的相對誤差減小,但絕對誤差保持一致,不超過3A。

70A充放電電壓測試對比曲線


 

150A充放電電壓測試對比曲線

 

    本文給出一種車載超級電容測試系統(tǒng),該系統(tǒng)采用基于磁補(bǔ)償原理的霍爾閉環(huán)電流、電壓傳感器采集總線信號,以抗高壓脈沖干擾的STC51高速單片機(jī)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程的噪音,通過對超級電容組件充放電測試,表明本系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng),檢測精度高等優(yōu)點(diǎn),能很好的滿足車載超級電容高電壓大電流環(huán)境下的測試要求。

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