虛擬儀器技術(shù)在超級(jí)電容電池測(cè)試中的應(yīng)用

作者/ 程中軍 南充市計(jì)量測(cè)試研究所(四川 南充 637300)

摘要：針對(duì)具有超級(jí)電容的電池或電池組測(cè)試需要，專門設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器的測(cè)試平臺(tái)，通過該平臺(tái)可以對(duì)具有超級(jí)電容的電池、電池組進(jìn)行充放電測(cè)試，并實(shí)時(shí)給出其電壓、電流、功率、容量、電池效率等多項(xiàng)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)試平臺(tái)安全可靠，測(cè)試精準(zhǔn)，自動(dòng)化水平高。

引言

　　近年來，新能源領(lǐng)域得到了空前發(fā)展。以電動(dòng)汽車為代表的新能源汽車正被大面積推廣。新型動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的技術(shù)關(guān)鍵。鉛酸電池的大量使用容易造成環(huán)境的鉛污染^[1]，而鋰電池的大電流放電能力不足，超級(jí)電容電池是近年來興起的一種新型電池。相比鉛酸電池和鋰電池，超級(jí)電容電池具有充電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)、容量大及對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)，因而得到越來越廣泛的應(yīng)用^[2]。超級(jí)電容電池伏安特性及其容量重要參數(shù)，產(chǎn)品出廠需要進(jìn)行大量測(cè)試。專業(yè)的電池測(cè)試管理系統(tǒng)費(fèi)用十分昂貴，因此，本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)室動(dòng)力型超級(jí)電容電池的測(cè)試需要，在現(xiàn)有程控直流電源和電子負(fù)載的基礎(chǔ)上，采用虛擬儀器技術(shù)，在LabVIEW環(huán)境下搭建電池的軟件測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池測(cè)試的控制、數(shù)據(jù)采集和分析功能。

1 超級(jí)電容電池工作原理

　　超級(jí)電容電池原理上結(jié)合了超級(jí)電容器和鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)^[3]。超級(jí)電容器主要是利用了多孔電極材料的高比表面積的特點(diǎn)，通過電解液離子極化形成的雙電層完成儲(chǔ)能^[4]。超級(jí)電容器在工作時(shí)，由于多孔材料做成的電極浸在電解溶液中，中間加有隔膜。當(dāng)充電時(shí)，帶正電的電極大量吸附陰離子，而帶負(fù)電的電極吸附陽離子。但是電荷并不會(huì)通過電極表面轉(zhuǎn)移，而是在電極和電解液之間重新排列富集，從而產(chǎn)生了位移電流。于是能量就通過富集于電極表面而存儲(chǔ)^[5]。這種結(jié)構(gòu)的電池具有功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)和低溫性能好的優(yōu)點(diǎn)。而鋰離子電池是一種典型的電化學(xué)電池，其正負(fù)電極中嵌有不同的鋰離子化合物。電池工作過程中，不斷有鋰離子從一端電極中脫離，經(jīng)過電解液，又嵌入到另一端電極中。電荷就隨著電解液和電極之間的電化學(xué)反應(yīng)而轉(zhuǎn)移^[6]。這種原理電池具有安全性好、能量密度高和自放電低的優(yōu)點(diǎn)[5]。超級(jí)電容電池的一個(gè)電極采用雙電容儲(chǔ)能機(jī)制，另一個(gè)電極采用電化學(xué)儲(chǔ)能機(jī)制^[3]。因而具備了兩者的共同優(yōu)點(diǎn)，尤其是高比功率、高比能量和高放電電壓以及長(zhǎng)循環(huán)壽命的特點(diǎn)^[9]。

2 虛擬儀器介紹

　　虛擬儀器(Virtual Instruments,VI)是一種以計(jì)算機(jī)為載體的自動(dòng)化測(cè)量與控制系統(tǒng)，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的各種物理量進(jìn)行測(cè)量或?qū)ξ锢磉^程進(jìn)行控制^[7]。NI公司為虛擬儀器設(shè)計(jì)的軟件環(huán)境是LabVIEW，是目前最常用的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)。LabVIEW編程環(huán)境主要包括前面板和后面板。其中前面板放置的是人機(jī)交互的控件，完成計(jì)算機(jī)輸入設(shè)置、參數(shù)和圖像顯示，后面板完成程序的編寫。LabVIEW與傳統(tǒng)的編程軟件相比，采用的是非常直觀易懂的圖形語言，即G語言。不需要繁瑣的代碼編寫，只需把相關(guān)函數(shù)或者功能模塊的輸入輸出端子相應(yīng)連接起來即可，大大降低了編程難度。LabVIEW開發(fā)環(huán)境自帶多種通信接口，包括RS232、USB、GPIB等，能夠非常便捷地與多種設(shè)備儀器進(jìn)行通信。LabVIEW編程環(huán)境提供直接調(diào)用MATLAB的接口，能夠借助MATLAB處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算。

3 超級(jí)電容電池測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　3.1 平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

　　本文設(shè)計(jì)的超級(jí)電容電池測(cè)試平臺(tái)主要組成部分包括上位機(jī)的虛擬儀器部分、程控直流電源、電子負(fù)載以及充放電電路控制部分。電源、負(fù)載以及電路控制部分是平臺(tái)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，受到上位機(jī)虛擬儀器的控制，與上位機(jī)之間采用RS232C協(xié)議通信。平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。電路控制需要一個(gè)能和上位機(jī)通信的處理器，接收上位機(jī)發(fā)出的電路開閉指令，并驅(qū)動(dòng)電路中的接觸器斷開或閉合。為了今后能夠?qū)y(cè)試平臺(tái)進(jìn)一步改進(jìn)，如進(jìn)行測(cè)試中的超級(jí)電容電池電壓均衡控制或者其他更多參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量等，下位機(jī)特為此預(yù)留出多個(gè)I/O口。

　　3.2 前面板設(shè)計(jì)

　　軟件的前面板是人機(jī)交互接口，前面板主要放置的是軟件需要的輸入輸出控件。根據(jù)釩電池測(cè)試的具體要求，程序的前面板應(yīng)該包括如下功能：輸入主要是電池充放電的參數(shù)，包括設(shè)備選擇、充放電方式選擇、參數(shù)大小、充放電截止參數(shù)/時(shí)間以及充放電啟動(dòng)/停止/數(shù)據(jù)保存和電路開閉的開關(guān)和文件命名輸入等。輸出主要是軟件的顯示控件，包括電池充放電曲線、實(shí)時(shí)電流電壓、當(dāng)前累計(jì)充放電容量和測(cè)試時(shí)間。前面板不涉及到編程問題，一個(gè)良好的前面板設(shè)計(jì)，主要應(yīng)該考慮各控件的位置，保證整齊、美觀。圖2為本文設(shè)計(jì)的超級(jí)電容電池測(cè)試開放平臺(tái)前面板圖。

　　3.3 后面板程序設(shè)計(jì)

　　軟件后面板完成前面板中數(shù)據(jù)的傳遞，向硬件系統(tǒng)發(fā)出指令，接收數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)的任務(wù)。后面板的設(shè)計(jì)采用了模塊化的程序編程思想，先將系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的各個(gè)功能模塊編寫為可以在頂層程序中直接調(diào)用的子vi。本文著重介紹以下幾個(gè)重要模塊的編寫。

　　3.3.1 串口通信模塊設(shè)計(jì)

　　如前所述，本文中所涉及的通信全部是RS232通信。在LabVIEW中使用串口通信，需要借助LabVIEW提供的VISA庫完成。VISA(Virtual Instruments Software Achitecture)虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)是VXI——即插即用聯(lián)盟規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)I/O接口軟件，是目前儀器設(shè)備接口類型功能函數(shù)的超集^[10]。LabVIEW環(huán)境自帶VISA的API函數(shù)，支持串口的讀寫、開閉及配置等操作。因此通過VISA可以實(shí)現(xiàn)任何類型的串口通信應(yīng)用。如圖3為通信串口的配置和讀寫程序^[11-12]。程序首先配置串口通信參數(shù)為9600波特率，8位數(shù)據(jù)，零校驗(yàn)和1位停止位。程序通過使用串口字節(jié)數(shù)屬性以讀取所有接收到的數(shù)據(jù)。

　　3.3.2 電源和負(fù)載控制及數(shù)據(jù)采集^[13]

　　本文程控直流電源和電子負(fù)載使用臺(tái)灣艾德克斯的大功率產(chǎn)品，作為程控設(shè)備采用的指令是SCPI指令。SCPI指令是一種用于可編程儀器的標(biāo)準(zhǔn)指令集，SCPI指令包括IEEE.2標(biāo)準(zhǔn)中的通用指令和設(shè)備特定指令。本文用到的是設(shè)備特定的指令，主要包括設(shè)置充放電參數(shù)、測(cè)量電壓電流及啟動(dòng)與停止指令。其指令格式為：<關(guān)鍵字>：參數(shù)。電源提供的充電方式包括恒壓充電和恒流充電模式，電子負(fù)載還提供恒功率和固定電阻放電模式。因?yàn)槌潆姇r(shí)需要考慮在測(cè)試容量時(shí)有恒流轉(zhuǎn)恒壓的充電過程，因此需要設(shè)置充電電流和充電電壓。放電過程則只需要選擇某種特定的方式即可，不同方式對(duì)應(yīng)于不同的SCPI指令，因此，在編寫這個(gè)部分時(shí)采用枚舉變量選擇case結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置。

　　對(duì)于數(shù)據(jù)采集，主要是通過直流電源和電子負(fù)載遠(yuǎn)端測(cè)量端子和輸出/入端構(gòu)成的負(fù)反饋回路，測(cè)量得到精確的電池端電壓及輸入/出電流大小，并以ASCII碼形式上傳到上位機(jī)進(jìn)行處理。設(shè)備上傳數(shù)據(jù)需要得到上位機(jī)程序的指令才能進(jìn)行。這里需要用到兩條指令，即“MEAS:CURR?”和“MEAS:VOLT?”。平臺(tái)設(shè)置的采集時(shí)間間隔為1秒。這一部分放在主程序循環(huán)之中。測(cè)量電壓的程序圖如圖5所示。

　　平臺(tái)提供了數(shù)據(jù)的保存功能，由于LabVIEW提供有對(duì)excel電子表格的讀寫接口，本文將測(cè)量的原始數(shù)據(jù)和計(jì)算處理的數(shù)據(jù)統(tǒng)一保存在excel里^[14-15]。Excel表頭包括序號(hào)、時(shí)間、電壓、電流、功率、安時(shí)容量和瓦時(shí)容量等欄目。其中的累計(jì)容量計(jì)算采用電流對(duì)時(shí)間積分求得^[1]，瓦時(shí)容量通過功率對(duì)時(shí)間的積分計(jì)算。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　利用此測(cè)試平臺(tái)，可以針對(duì)超級(jí)電容電池進(jìn)行一系列基于充放電的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，如超級(jí)電容電池的容量測(cè)試、效率分析。本文以對(duì)四個(gè)標(biāo)稱為35Ah的電池組成的串聯(lián)電池組的容量測(cè)試實(shí)驗(yàn)為例對(duì)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)超級(jí)電容電池組的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)^[1]，電池容量測(cè)試方法是先將電池充滿電，靜置到溫度穩(wěn)定在25±2℃后，進(jìn)行恒流放電，計(jì)算放電的安時(shí)容量。此處電池組設(shè)定恒流充電電流17.5A，待電池充電到電池組端電壓上升到60V時(shí)，轉(zhuǎn)為恒壓充電模式，待電流下降低于0.3A時(shí)，認(rèn)為電池已完全充滿。放電過程采用17.5A電流恒流放電，電壓截止電壓設(shè)定為42V，得到放電容量值為32.4Ah。圖6為實(shí)驗(yàn)的充放電曲線。電池放出的容量小于35Ah，這是因?yàn)?，?dāng)電壓下降到42V后，還能繼續(xù)放電。但此時(shí)，從圖中可以看出，電壓和功率正在迅速降低，設(shè)定42V的截止電壓是因?yàn)殡姵卦趯?shí)際工作中保持適度的放電深度對(duì)電池是有好處的。另外，在這個(gè)充放電過程中隨機(jī)選擇多點(diǎn)，采用電壓表測(cè)量電池組端電壓，使用福祿克的電流鉗測(cè)量電路中的電流，均與直流電源、電子負(fù)載顯示以及上傳的數(shù)據(jù)吻合。因此，實(shí)驗(yàn)證明該平臺(tái)在超級(jí)電容電池測(cè)試應(yīng)用中是可靠的。

5 結(jié)束語

　　本文針對(duì)超級(jí)電容電池的測(cè)試需求，利用實(shí)驗(yàn)室的程控直流電源和電子負(fù)載，提出了一種基于虛擬儀器的電池測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)交互界面，完成了各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)。該平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)采集電池測(cè)試過程參數(shù)，具備保存數(shù)據(jù)，繪制電流電壓曲線，計(jì)算容量等多項(xiàng)功能。實(shí)驗(yàn)證明，使用該平臺(tái)對(duì)超級(jí)電容電池進(jìn)行測(cè)試是安全可靠的。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第10期第76頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。