基于單片機的車載超級電容測試系統設計知識介紹

隨著科技的進步，電動汽車技術也得到了迅速的發展;相比內燃機汽車，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點，將是未來汽車發展的方向，也是現行研究的熱點。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，而對于車載用電源，為達到較高功率和能量，超級電容往往采用多塊單體串聯的形式。但隨著電容串級的提升，電池整體電壓也隨之提高，然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，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。因此針對超級電容特殊的工作狀況，本文給出了一種利用單片機設計的超級電容電池測試系統方案。

1.測試系統原理

超級電容管理系統可實現對超級電容工作電流和電壓的實時采集，整體結構框圖如圖1所示。系統共由3個主要模塊組成：現場電壓、電流、采集與調理模塊(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，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場采集，采集信號經過儀用放大，然后轉化為4mA～20mA電流信號并發送到中央處理模塊。中央處理模塊內，采集模塊發送的4mA～20mA電流信號，經過電流電壓變換后，再進行隔離放大、AD轉換并送到MCU;MCU將數據處理后通過CAN接口傳送到上位機;當檢測到數據異常時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定隔離的電壓。增加RS232通信串口，以便MCU程序燒錄。

圖1 超級電容管理系統整體結構圖

2.各主要模塊的實現

本測試系統分別采用四塊電路板，以實現三大功能模塊——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。

2.1采集模塊的實現

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，比傳統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。本文選用的是基于磁補償原理的霍爾閉環電流傳感器CSNK591，測量范圍±1200A，線性精度達到0.1%，總體精度達到0.5%，響應速度小于1μs，完全滿足了系統的要求。采集信號經精密電阻轉變為電壓信號，再由儀用放大器放大為±5V雙極性電壓信號。系統選用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，經過射極跟隨器送至變送器XTR110KU，轉為4mA～20mA的電流信號送到中央處理模塊。之所以將采集信號轉變為4mA～20mA電流信號，是考慮到與工業接口標準的統一，并且采用電流傳輸抗干擾能力強。

圖2 電流采集模塊原理圖

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

2.2中央處理模塊實現

中央處理模塊是測試系統的核心部分，包括MCU和AD單元、模擬信號二次調理單元、故障輸出單元和CAN接口單元等，如圖3所示。

圖3 電壓信號調理支路

采集模塊輸入的4mA～20mA電流信號首先經過模擬信號二次調理單元，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雜，需要調整的參數較多，并且當輸入電壓比較小時，線性度較差。本文選用的是高精度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。

二次調理后的采集信號，經過12位高速AD7891送至MCU。MCU對數據進行處理并將數據通過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境。該單片機可實現6時鐘模式，在本系統采用24M晶振情況下，單片機工作頻率可達到4MIPS，相當于普通51系列單片機運行速度的4倍。

另外，測試系統設置3通道故障診斷輸出，能顯示欠壓、過壓、過流等狀態。測試系統與上位機采用抗干擾能力強、穩定性好的CAN通信方式，保證測試系統送入上位機數據的可靠性。

實際系統有模擬±15V，數字±5V，模擬±12V供電需求，電源管理模塊在提供系統各部分所需電壓的同時，進行模擬、數字電路隔離，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的損壞。同時在諸多電源入口處設置相應的濾波電路，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。

而且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線，這樣在保護電路板的同時隔離外界磁場。

3.測試內容

實驗選定以70A和150A兩種模式對兩組串聯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，當總線電壓達到300V時，轉為恒壓充電，當總線電流降低到10A時進行70A恒流放電，如此循環測試5個周期。

4.實驗結果

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。可以看出兩者的匹配程度很好。電壓測試精度高于電流測試精度，這是由于一方面充放電系統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并且緊靠單體電容，電容充放電時產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，測試結果的相對誤差減小，但絕對誤差保持一致，不超過3A。

圖4 70A與150A充放電電流測試對比曲線

圖5 70A充放電電壓測試對比曲線

圖6 150A充放電電壓測試對比曲線

總結

以上就是基于單片機的車載超級電容測試系統設計介紹了。該系統采用基于磁補償原理的霍爾閉環電流、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，表明本系統具有抗干擾能力強、檢測精度高等優點，能很好的滿足車載超級電容高電壓大電流環境下的測試要求。

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