基于單片機(jī)的車載超級電容測試系統(tǒng)設(shè)計
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| 伴隨著科技的進(jìn)步，電動汽車技術(shù)得到迅速的發(fā)展，相比內(nèi)燃機(jī)汽車，電動汽車具有零排放、高性能效率、低噪聲、低熱輻射、易操縱和易維護(hù)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(bǔ)性[1]。單一使用蓄電池、繞料電池或者超級電容，難以用作電動汽車的動力源。混合電池是一比較理想的解決方法，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(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(jìn)行充放電循環(huán)試驗采集其電壓、電流參數(shù)、并與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對比，從而驗證出本檢測系統(tǒng)能在強(qiáng)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)可以實現(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MCU輸出故障信號，以便工作人員能及時采取措施，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)
1.3.2 中央處理模塊實現(xiàn)
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 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)可實現(xiàn)6時鐘模式，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(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。
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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，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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