基于MCU的車載超級(jí)電容測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

伴隨著科技的進(jìn)步，電動(dòng)汽車技術(shù)得到迅速的發(fā)展。相比內(nèi)燃機(jī)汽車，電動(dòng)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(lái)汽車發(fā)展的方向，也是現(xiàn)行研究的熱點(diǎn)。

電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池有如下三類：燃料電池、蓄電池和超級(jí)電容。燃料電池、蓄電池和超級(jí)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、燃料電池或者超級(jí)電容，難以用作電動(dòng)汽車的動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)，特別利用超級(jí)電容快速充放電能實(shí)現(xiàn)汽車制動(dòng)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(jí)電容組成的混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)的最佳方案[2]。

對(duì)于車載用電源，為達(dá)到較高功率和能量，超級(jí)電容往往采用多塊單體串聯(lián)的形式。伴隨著電容串級(jí)的提升，電池整體電壓也隨之提高；對(duì)于車載電池，超級(jí)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(dòng)會(huì)帶來(lái)強(qiáng)烈的電磁干擾，為電容組件的檢測(cè)帶來(lái)很大的困難。同時(shí)由于串聯(lián)超級(jí)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(jí)電容以150A電流放電時(shí)，端電壓會(huì)在1分鐘之內(nèi)由300V減到70V，而200V恒壓沖電時(shí)電流也會(huì)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(lái)的噪音影響也是十分巨大。

針對(duì)超級(jí)電容特殊的工作狀況，本論文給出一種超級(jí)電容電池檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)超級(jí)電容組件進(jìn)行充放電循環(huán)試驗(yàn)采集其電壓、電流參數(shù)，并與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對(duì)比，從而驗(yàn)證出本檢測(cè)系統(tǒng)能在強(qiáng)電壓電流變化情況下快速實(shí)現(xiàn)較高的檢測(cè)精度。

1 檢測(cè)系統(tǒng)原理及各模塊實(shí)現(xiàn)
1.1 檢測(cè)對(duì)象

測(cè)試用超級(jí)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(duì)稱電極雙電層超級(jí)電容組件。

1.2 系統(tǒng)原理介紹

超級(jí)電容管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容工作電流和電壓的實(shí)時(shí)采集。超級(jí)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(gè)主要模塊組成：現(xiàn)場(chǎng)電壓、電流、采集與調(diào)理模塊(即采集模塊)，信號(hào)隔離與MCU信號(hào)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(duì)超級(jí)電容電壓和電流進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集，采集信號(hào)經(jīng)過(guò)儀用放大，然后轉(zhuǎn)化為4mA～20mA電流信號(hào)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(hào)，經(jīng)過(guò)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(guò)CAN接口傳送到上位機(jī)；當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)異常時(shí)MCU輸出故障信號(hào)，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。

1.3 各主要模塊的實(shí)現(xiàn)

本測(cè)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)。

1.3.1 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(cè)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Honywell公司的基于磁補(bǔ)償原理的霍爾閉環(huán)電流傳感器CSNK591，測(cè)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(hào)經(jīng)精密電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再由儀用放大器放大為±5V雙極性電壓信號(hào)。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(hào)通過(guò)OP27GS芯片抬升至0～10V單極性信號(hào)，經(jīng)過(guò)射極跟隨器送至變送器XTR110KU，轉(zhuǎn)為4mA～20mA的電流信號(hào)送到中央處理模塊。之所以將采集信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?mA～20mA電流信號(hào)，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)。

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。

1.3.2 中央處理模塊實(shí)現(xiàn)

中央處理模塊是測(cè)試系統(tǒng)的核心部分，包括MCU和AD單元、模擬信號(hào)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(hào)首先經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)二次調(diào)理單元，進(jìn)行信號(hào)的變送、隔離、濾波和放大。模擬信號(hào)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。故本文選用BB公司高精度ISO124U隔離運(yùn)算放大器完成輸入模擬信號(hào)的隔離，隔離后的信號(hào)經(jīng)5階Butterworth低通濾波MAX280電路過(guò)濾高頻干擾，隨后通過(guò)一射極跟隨器送出。

二次調(diào)理后的采集信號(hào)，經(jīng)過(guò)12位高速AD7891送至MCU。MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將數(shù)據(jù)通過(guò)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(guò)6000V靜電，很好地滿足了超級(jí)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(cè)試系統(tǒng)設(shè)置3通道故障診斷輸出，能顯示欠壓、過(guò)壓、過(guò)流等狀態(tài)。測(cè)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(cè)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(duì)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(hào)對(duì)所供電路的干擾。

另外，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(chǎng)。

2 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比及分析

2.1 測(cè)試內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)選定以70A和150A兩種模式對(duì)兩組串聯(lián)的超級(jí)電容組件進(jìn)行充放電測(cè)試。首先，對(duì)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(cè)試5個(gè)周期。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4、圖5、圖6給出了兩種情況下的測(cè)試曲線對(duì)比。其中，圖4表示70A和150A兩種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(cè)試精度高于電流測(cè)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(guò)電流總線后仍有一定空隙，在一定程度上影響了測(cè)試精度。對(duì)比各組電流曲線，可以看出隨著電流的增大，測(cè)試結(jié)果的相對(duì)誤差減小，但絕對(duì)誤差保持一致，不超過(guò)3A。

本文給出一種車載超級(jí)電容測(cè)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(hào)，以抗高壓脈沖干擾的STC51高速單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，并采用儀用放大、電流傳輸、模擬信號(hào)隔離、5階低通濾波等措施，盡可能地減少信號(hào)傳輸過(guò)程的噪音。通過(guò)對(duì)超級(jí)電容組件充放電測(cè)試，表明本系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，能很好的滿足車載超級(jí)電容高電壓大電流環(huán)境下的測(cè)試要求。