基于單片機(jī)的車載超級電容測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著科技的進(jìn)步，電動汽車技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展;相比內(nèi)燃機(jī)汽車，電動汽車具有零排放、高能量效率、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)。電動汽車的動力電池有如下三類：燃料電池、蓄電池和超級電容，而對于車載用電源，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。但隨著電容串級的提升，電池整體電壓也隨之提高，然而這樣高峰值的電壓引起的波動會帶來強(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，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。因此針對超級電容特殊的工作狀況，本文給出了一種利用單片機(jī)設(shè)計(jì)的超級電容電池測試系統(tǒng)方案。

1.測試系統(tǒng)原理

超級電容管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對超級電容工作電流和電壓的實(shí)時(shí)采集，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對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，以便工作人員能即時(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。

圖1 超級電容管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2.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)。

2.1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)。本文選用的是基于磁補(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?，再由儀用放大器放大為±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，并且采用電流傳輸抗干擾能力強(qiáng)。

圖2 電流采集模塊原理圖

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。

2.2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。

圖3 電壓信號調(diào)理支路

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)輸入電壓比較小時(shí)，線性度較差。本文選用的是高精度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。

而且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。

3.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。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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)并且緊靠單體電容，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。

圖4 70A與150A充放電電流測試對比曲線

圖5 70A充放電電壓測試對比曲線

圖6 150A充放電電壓測試對比曲線

總結(jié)

以上就是基于單片機(jī)的車載超級電容測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹了。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。

審核編輯：湯梓紅