基于MCU的車載超級電容測試系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

伴隨著科技的進步，電動汽車技術(shù)得到迅速的發(fā)展。相比內(nèi)燃機汽車，電動汽車具有零排放、高能量效率、低噪聲、低熱輻射、易操縱和易維護等優(yōu)點，將是未來汽車發(fā)展的方向，也是現(xiàn)行研究的熱點。

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。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性[1]。單一使用蓄電池、燃料電池或者超級電容，難以用作電動汽車的動力源?；旌想姵厥且槐容^理想的解決辦法。采用混合電池驅(qū)動系統(tǒng)，特別利用超級電容快速充放電能實現(xiàn)汽車制動能量回收，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)動系統(tǒng)成為電動車驅(qū)動的最佳方案[2]。

對于車載用電源，為達到較高功率和能量，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到幾百伏，而這樣高峰值的電壓引起的波動會帶來強烈的電磁干擾，為電容組件的檢測帶來很大的困難。同時由于串聯(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，端電壓會在1分鐘之內(nèi)由300V減到70V，而200V恒壓沖電時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行充放電循環(huán)試驗采集其電壓、電流參數(shù)，并與標準參數(shù)對比，從而驗證出本檢測系統(tǒng)能在強電壓電流變化情況下快速實現(xiàn)較高的檢測精度。

1 檢測系統(tǒng)原理及各模塊實現(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)可實現(xiàn)對超級電容工作電流和電壓的實時采集。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；當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)異常時MCU輸出故障信號，以便工作人員能即時采取措施。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。

1.3 各主要模塊的實現(xiàn)

本測試系統(tǒng)分別采用四塊電路板，以實現(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現(xiàn)。

1.3.1 采集模塊的實現(xiàn)

采集模塊包括總線電流的采集、總線電壓的采集兩個部分，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。本文選用Honywell公司的基于磁補償原理的霍爾閉環(huán)電流傳感器CSNK591，測量范圍±1200A，線性精度達到0.1%，總體精度達到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具有較大的共模抑制比（G=10時，共模抑制比最小為100dB），能較強地抑制由于溫度、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)接口標準的統(tǒng)一，并且采用電流傳輸抗干擾能力強。

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

1.3.2 中央處理模塊實現(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。

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，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，線性度較差。故本文選用BB公司高精度ISO124U隔離運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)進行處理并將數(shù)據(jù)通過CAN接口傳送到上位機。單片機選用STC系列8位高速單片機STC89C58RD+。該單片機具有強抗干擾性，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。該單片機可實現(xiàn)6時鐘模式，在本系統(tǒng)采用24M晶振情況下，單片機工作頻率可達到4MIPS，相當(dāng)于普通51系列單片機運行速度的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)與上位機采用抗干擾能力強、穩(wěn)定性好的CAN通信方式，保證測試系統(tǒng)送入上位機數(shù)據(jù)的可靠性。

實際系統(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，進行模擬、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，防止浪涌電壓對系統(tǒng)的損壞。同時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，采用標準航空接頭與外界聯(lián)線，這樣在保護電路板的同時隔離外界磁場。

2 測試系統(tǒng)實測結(jié)果對比及分析

2.1 測試內(nèi)容

實驗選定以70A和150A兩種模式對兩組串聯(lián)的超級電容組件進行充放電測試。首先，對電容進行恒流充電，當(dāng)總線電壓達到300V時，轉(zhuǎn)為恒壓充電，當(dāng)總線電流降低到10A時進行70A恒流放電，如此循環(huán)測試5個周期。

2.2 實驗結(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兩種標準測試情況下，電流的變化曲線。圖5、圖6表示兩種情況下，電壓曲線特性?？梢钥闯鰞烧叩钠ヅ涑潭群芎谩ｋ妷簻y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，電容充放電時產(chǎn)生的噪聲干擾比較嚴重。同時，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。

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高速單片機進行信號處理，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、檢測精度高等優(yōu)點，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。