超級電容器充放電性能測試系統的設計*

耿貴明，榮憲偉，于曉艷

(哈爾濱師范大學)

0 引言

目前，能源和環境問題成為社會關注的熱點，節能環保一直是全球提倡的主題[1].近年來，隨著傳統燃料汽車的普及，使城市的環境變得更加惡劣，為了有效的遏制環境的惡化，電動汽車的研發成為了很有前景的技術，電動汽車的產生不僅節省了傳統的燃料，而且能減少溫室氣體的排放[2].目前應用最多的是混合動力汽車，它是由超級電容器和傳統的蓄電池結合成一種混合儲能系統來驅動汽車的行駛，其中超級電容器可以為混合儲能系統提供峰值功率，能夠保證傳統的蓄電池輸出平穩的功率，延長傳統蓄電池的壽命[3，12].但是超級電容器在提供峰值功率時，需要進行深度和快速的充放電循環，這樣會加劇超級電容器的熱效應和電化學效應，在化學反應過程中會生成一些雜質粒子，積存到電解液中，雜質粒子會堵塞電極空隙，致使超級電容器的電極表面積減小和增加超級電容的等效內阻，導致超級電容器運行狀態下降甚至損壞，在這種情況下，超級電容器的狀態檢測對應用超級電容器的系統的安全運行至關重要[4].

該文的主要研究內容分為以下部分：在第一部分，論述了超級電容器的內部結構，以及超級電容器的應用領域.在第二部分，對超級電容器監控系統的組成和控制機理進行詳細的描述，分析設計了參數測量電路和數控電源的硬件電路.第三部分介紹了QT軟件的優勢和應用領域，以及測試系統軟件的開發流程與步驟.在第四部分，采用測試系統分別對普通電容器與超級電容器進行測試，通過對實驗數據的分析和總結，驗證了測試系統運行的可靠性和準確性.最后，在第五部分中，對論文的主要研究工作進行了總結.

1 硬件系統設計

1.1 系統的整體結構

超級電容器因其具有充放電效率快，功率密度高，循環壽命長等優點[5]，廣泛的應用在電動汽車、混合動力汽車、智能電網、無線傳感網絡和生物醫學設備等領域[6].在實際應用中，超級電容器單體的電壓和儲能容量不能滿足以上儲能系統的需求.因此在應用中，通常將數只超級電容器進行串聯或并聯，組成超級電容器組[7]，以滿足大型儲能系統的需求.考慮以上因素，該文設計的超級電容器的測試系統，可以對單體的普通電容器、單體超級電容器和超級電容器組進行測試，這樣能直觀地觀察出單體電容器與超級電容器組的運行狀態.

該系統能夠實現對超級電容器進行恒壓的充放電，并且能在充放電過程監測超級電容器組或單體超級電容器的電壓、電流、溫度等參數，并能在上位機進行實時的顯示.測試系統整體由五個模塊組成，電源模塊，主要包括數控恒壓源；參數測量模塊，包括電壓、電流、以及溫度參數的測量；控制模塊，主要作用是控制充放電電阻網絡實現不同量程切換；系統軟件，主要是由STM32與上位機軟件組成，主控芯片STM32主要負責參數的測量，上位機負責性能參數的顯示和數據圖像的繪制.系統的整體結構示意圖如圖1所示.

圖1 系統整體結構示意圖

1.2 電壓電流測量電路設計

超級電容器充放電時刻的電壓和電流信號可以顯示出超級電容器的工作情況.該系統采用主控芯片STM32自帶的3路ADC對電壓信號進行測量，STM32F103系列芯片自帶的ADC轉換精度為12位，轉換的最小電壓精度為0.014V,每路ADC具有16個數據轉換通道，可以進行16個信號源的轉換，滿足本監控系統對電壓和點電流信號的數量和精度的要求[8].

在實際應用中，普通電容器或超級電容器組的額定電壓值，將會超出主控芯片測量的閾值范圍.因此，要對其進行電壓和電流的測量，需要將超級電容器組或普通電容器的端電壓進行分壓至TTL電平范圍內，以適應ADC外設的電平采樣范圍.該系統采用高精度低溫漂的BWL EE型模壓線繞電阻、具有雙4選1 的CD4052模擬開關以及運算放大器等組成的測量范圍可控的電阻分壓模塊，對超級電容器組的電壓進行測量.圖2為電阻分壓模塊電路圖，其中U21為電壓跟隨器由OPA277運算放大器構成，電壓跟隨器的輸入阻抗很高，輸出阻抗很小，一方面可以減小輸入信號對測量質量的影響.另一方面，可以減小ADC輸入阻抗對信號的影響.圖2中D20、D21組成保護電路，防止倒流損壞器件.

對于電流信號的測量，傳統的方法是將電流信號通過采樣電阻的分壓，轉換成電壓信號再進行測量，這種方法運行穩定，但測量精度不高[9].第二種方法采用差分運放電路對電流信號進行測量，優點是差分放大可以抑制零漂，可以提高測量精度，但是需要負電壓的輸入.綜合以上考慮，由于該文設計的超級電容器測試系統是通過測量數據對超級電容器運行的性能來進行分析，對于測量的數據精度有較高的要求，因此，該系統采用差分放大的方法進行電流的測量.

圖2 電阻分壓電路

圖3 電流測量電路

1.3 數控電源的電路設計

該測試系統的電源模塊主要是數控直流穩壓電源，主要功能是通過上位機的控制，能對超級電容器進行恒壓的充電測試.數控直流穩壓源主要是由LM2596開關調節器和LM358運算放大器組成,LM2596開關調節器可以提供穩定的直流電壓，運用LM358可以實現數控直流電壓調節，其控制邏輯是通過上位機控制STM32的DAC外設，通過DAC引腳輸出模擬電壓來調節數控穩壓源的直流電壓.數控直流穩壓電源可以為監控系統提供穩定的直流電壓輸出，供超級電容器充電使用.數控可調穩壓電源電路圖，如圖4所示.

圖4 數控可調穩壓電源

2 系統軟件設計

該測試系統軟件主要分為STM32嵌入式編程和QT編程，上位機由QT軟件進行設計，QT是面向對象程序化語言,它具有優良的跨平臺特性，能兼容Windows、Linux和UNIX等平臺，同時QT具有豐富的API，具有良好的擴展性能[10].對于該測試系統，測試不同的超級電容儲能系統，需要進行跨平臺的操作，因此采用QT平臺進行上位機軟件的開發具有較好的發展前景.嵌入式編程主要流程如圖5所示，嵌入式編程分為主程序流程圖和串口中斷服務流程圖.在主程序的運行過程中，首先需要對系統通信模塊、測量模塊、中斷和系統參數進行初始化.初始化完成后，等待串口中斷的到來，當接收到上位機的合格指令時，由中斷服務程序進行指令解析，并生成標志，主程序根據不同的標志，來運行模塊的控制指令和參數的測量.上位機參數配置完成后，等待下位機測量完成信號，接收到測量完成信號后，開始進行數據解析，解析完成后，在上位機界面上顯示出超級電容器的性能參數，并繪制出I-t、U-t曲線，從而能夠更加直觀的觀察超級電容運行的狀態.

圖5 嵌入式軟件系統流程圖

3 系統測試

采用該測試系統分別對16V-1000 μf的普通電容器和2.7 V-1F的超級電容器進行恒壓充放電測試，通過上位機中的數據曲線圖以及超級電容器在充放電過程中性能參數的變化，比較分析超級電容器測試系統的穩定性、精確度、適用范圍.

首先，在25℃恒溫環境下，對單體普通電容器進行預處理后，將待測電容完全放電[12]，在上位機上設置電壓和電流監測量程以及數據采樣間隔，通過設置軟件控制數控恒壓源輸出10 V的直流電壓對16V-1000 μf的普通電容器進行充電，并將充電電阻網絡的阻值設置為1 kΩ，充放電為時間均設置為10 s，測得的充放電曲線如圖6所示.

圖6中(a)(b)為普通電容器恒壓充電10 s的電壓、電流充電曲線，(c)(d)為普通電容器充滿后放電10 s的電壓、電流曲線，通過計算可以得知，RC網絡的時間常數為1τ，恒壓充電在4τ時，電容器的容量為總容量的98.2%，根據圖(a)可以看出4 s時刻，電容器兩端的電壓為9.75V，占總容量的97.5%，相對誤差為約為0.7%，測量精度符合電容器監測精度范圍，系統可靠性較高.

圖6 16V-1000μf電容器恒壓充放電曲線圖

在相同的實驗條件下，使用該系統對2.7 V-1F超級電容器進行測試，充放電電阻網絡阻值均設置為10 Ω，并將預處理后的超級電容器進行完全放電，上位機設置充電電壓為2.7 V，充放電時間均為15 s，參數設置完畢后，開始進行充放電，測得的充放電曲線如圖7所示.

圖7中子圖(a)(b)分別為2.7 V-1 F的超級電容器恒壓充電的電壓、電流數據曲線，圖(c)(d)分別為超級電容器充電至15 s，放電15 s的電壓、電流曲線，從圖中可以看出，由于時間常數為10τ較大，計算可得恒壓充電完成需要近40 s的時間，因此，圖中的數據曲線較為平緩.

圖7 2.7 V-1 F超級電容器恒壓充放電曲線圖

比較圖6、7可以看出，該文設計的監控系統能夠適用于普通電容器和超級電容器的監測，并且在電流和電壓的每個量程都能穩定的運行，且圖像的數據曲線沒有較大的波動，測試系統能在恒壓的條件下穩定運行.

4 結論

該文分析了影響超級電容穩定運行的因素，設計了一套以STM32為主控芯片的超級電容器測試系統，該測試系統能夠實現恒壓的方式對超級電容進器行充電，并能實時監測超級電容器運行的電壓和電流以及溫度的變化.測試系統提供了不同的電壓、電流測量范圍，在使用時可以根據所需要測量的范圍自行切換，在測試超級電容器性能指標時，可以根據精度需要，更改超級電容器充放電時間及數據采樣間隔，在測試完成后可以通過保存按鈕，將需要的數據資料進行保存.實驗部分采用測試系統分別對普通電容器和超級電容器進行測試，通過對上位機顯示的性能參數和數據圖像進行分析比較，可以得出，該超級電容器測試系統具有較好的穩定性，操作靈活方便，測試范圍廣，能夠達到預期的測試效果.