超级电容电池组容量测试监控系统研究

李明兴,牛红涛,王 林,张俊杰

（1.四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065；2.中国测试技术研究院 四川 成都 610021）

超级电容电池组容量测试监控系统研究

李明兴1,牛红涛2,王 林2,张俊杰1

（1.四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065；2.中国测试技术研究院 四川 成都 610021）

超级电容电池为一种新型大容量储能装置，往往配组成电池组使用，电池组容量是其关键的性能指标，目前国内对于超级电容电池组容量检测自动化程度不高。文章总结单体电容电池容量的测试方法和标准，分析了电池配组后影响电池组容量的因素，设计了一种基于单片机的超级电容电池组容量测试的过程监测控制系统，并通过实验验证系统实用性。

超级电容电池；容量测试；单片机；自动监测

超级电容电池由叫双电层电容器,是一种新型的大容量储能装置。相比常规的储能装置,超级电容电池具有充电快,容量大、使用寿命长,对环境无污染等优点,在电力驱动汽车领域应用已越来越广泛[1]。实际应用中,超级电容电池通常以配组的形式提供较大驱动功率,配组容量是其关键的性能指标。因此对超级电容电池组的容量检测具有重要意义。

目前对超级电容电池容量检测标准已有一些研究[1],但是对于电容电池组的容量测试还没有形成一套自动化的测试系统,很多工作需要人工操作。电池组的测试不同于单体电池测试,需要测量影响电池组容量的多个参数。本文首先分析影响电池组容量的因素,继而提出一种基于STC89C52RC单片机的电池组容量自动测试系统[2]。

1 电池组容量影响因素与测试原理

电池容量是一个多变量、复杂和非线性的量,它会受到温度、放电率、终止电压、循环次数等因素的影响[3-7]。对于电池组而言,除了上述因素外,还要考虑到单体电池的性能差异对于电池组的容量的影响。即便是同一批次的电池产品,也存在着电池欧姆内阻、容量差异、极化差异。这些差异直接导致单体电池不能同时到达终止电压而影响电池组的容量,甚至危害电池组寿命。

测试方法和原理：

类似于其他类型电池的容量测试方法,超级电容电池组的容量测试通常需要进行以下几个测试过程：常温环境的充电和放电能力测试、高倍率放电测试、-15℃下放电测试和-30℃下放电测试。电池容量表示为放电电流对于放电时间的积分,当恒流放电时可按照：

容量C(Ah)=放电电流I(A)×放电时间T(h)计算得出。

2 系统整体设计

本系统能够在超级电容电池组充放电测试过程中实时监测各单体电容电池的电压、电流和温度信息,并实时显示。能够设计操作流程并自动切换电池组的充放电回路,实现与上位计算机双向通信,通过交互界面对系统设置并将测试数据保存。系统的整体结构如图1所示。

直流电源和负载采用艾德克斯电子有限公司的大功率可编程装置IT6532A充电电源和IT8818负载对电池组进行充

电和放电。设备带有远端的电压电流传感器,利用它可以及时测量出电池组的端电压和通过的电流。且设备自带RS232/ USB/GPIB/Ethernet通讯接口与计算机互联,通过计算机程序对其进行设置和数据存储。单片机控制系统同时测出个单体电池的电压电流和温度参数,在实时显示的同时,将数据传送给计算机。

图1 系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the system

3 硬件系统

3.1 电压电流信号通道设计

超级电容电池组在容量测试过程中,电池组的电压均大于50 V,采用电阻分压的方式将电压信号降低为2.5 V以下。系统采用Σ-Δ型AD转换器AD7705作为信号的转换芯片, AD7705是16位串行输出,具有高转换分辨率,自校准、增益可调、优良的抗噪声能力以及低电压低功耗优点[8-10]。AD7705采用双路差分信号输入,本设计将双信号通道负端共地,同时输入单体电池的电压和电流信号,AD在一个扫描周期内先对电压信号转换,然后转换电流信号。电源VCC通过REF192参考稳压芯片输出稳定的2.5 V作为AD7705的参考电压。本设计在信号输入AD之前,四路电池信号首先多路模拟开关,以实现分时对多信号的采集。本设计采用的是CD4052双4选1多路开关,单片机控制CD4052的使能端和控制端口,同一时间可以使两路信号导通,即同一电池的电压和电流信号。AD7705的时序、片选和控制端口需要单片机5个I/O口相连。因此单片机P0口低5位控制AD7705,高3位控制CD4052芯片,如图2所示。

图2 电压电流测量电路Fig.2 Circuit of voltage and current testing

单片机采用STC89C52RC芯片,STC89C52RC是一款高性能、低功耗CMOS8位处理器,具有8K字节程序存储空间, 512字节数据存储空间和2k字节的EEPROM存储空间,其价格低廉,支持和计算机的通讯,无需专用仿真器和下载器,通过串口可直接对单片机进行程序烧录,是一款应用非常广泛的微处理器。单片机P0口接上拉电阻后控制电压电流的信号通道,P2口作为LCD的数据输入,P1低四位作LCD的控制端口,高四位做温度信号输入,P3口作继电器控制信号输入和通信功能。

3.2 温度测量

温度测量采用dallas公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20[11]。相比于模拟式温度传感器,DS18B20具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强以及精度高等优点。

DS18B20的单总线可以直接与单片机的IO口相连实现双向通信。本系统使用的四路温度信号与单片机P1的高四位并行连接。

3.3 继电器驱动

采用直流继电器去控制大电流回路的导通和关闭,实现充放电通路的自动切换。继电器采用高耐压、大电流达林顿管阵列芯片ULN2003驱动。ULN2003由7个硅NPN达林顿管组成,每一个达林顿管串联一个2.7K基极电阻,输出端带有续流二极管,输出可达500 mA电流并承受50 V的电压,具有强大的带负载能力。

4 软件设计

软件的设计主要是完成充放电的参数设置和控制。软件流程图如图3所示。启动本系统,包括监控系统,以及直流电源和直流负载,然后通过交互界面设置充放电工步,以及控制

参数。电池在经过预处理达到测试要求后,系统通过直流电源对被测电池组进行充电,然后切换接通直流负载对电池组放电。整个过程中,LCD会显示各单体电池的温度、电压和电流信号,同时数据传送给计算显示存储,包括电池组端电压、电流以及容量。当系统检测到的参数与设定的参数条件一致时,计算机向单片机发出控制指令,对两个回路中的继电器进行开闭控制。当测试结束后,将数据保存在计算机存储器中。

图3 软件系统工作流程图Fig.3 Software work flow chart of the system

5 测试结果与分析

采用本装置对四川能宝电源制造有限公司生产的12V20AH的动力型超级电容电池进行测试,采用四个单体电池串联的形式配组成电池组。对电池组按照测量标准进行容量测试。

5.1 常温充放电测试

在25±2℃的恒温环境下,对电池组预处理后,首先将电池组完全充电,待电池表面温度稳定在25±2℃时,通过直流电子负载以10 A电流放电至端电压为42 V为止,得到电池组的实际放电容量为20.441 3 Ah,测得放电曲线如图4所示。

图4 常温放电曲线Fig.4 Discharge curve at room temperature

5.2 低温容量测试

首先将电池完全充电,在-15℃和-30℃恒温环境中保持6小时,以直流负载按10 A电流放电直到电池组端电压降为 42 V截止。测得-15℃情况下,电池组的输出容量为15.8111 Ah。在-30℃环境下测得的输出容量为10.6702 Ah,测试的放电曲线如图5～6所示。

图5 -15℃低温放电曲线Fig.5 Discharge curve at minus 15℃

图6 -30℃低温放电曲线Fig.6 Discharge curve at minus 30℃

5.3 高倍率放电能力测试

将电池常温下完全充电,在25℃±2℃的环境中静置4小时,然后以40 A电流通过直流负载放电至端电压降为42 V,记录放电时间为20 min35 s,放电容量为13.712 5 Ah。测试的放电曲线如图7所示。

图7 大电流放电曲线图Fig.7 Large current discharge graph

比较图4、图5和图6,可以看出,电池组在相同电流放电的情况下,在25℃、-15℃和-30℃下,放电电压依次降低,电池容量也依次下降,这是由于电池材料的电化学活性受温度降低的影响而降低,导致电池容量下降。比较图5和图7,可

以看出,在相同温度条件下对电池组进行放电测试,由于放电电流增大,电池的极化效应更加明显,导致电池端电压明显下降,从而影响电池组的容量。以上测试可以显示,超级电容电池能够在-30℃下放出的电量达额定容量的50%以上,在4倍额定电流放电情况下至少持续20分钟。测试结果显示超级电容电池组具有较好的应用潜力。

6 结论

本文在分析了影响超级电容电池组容量的因素之外,设计了一套基于单片机对超级电容电池组容量自动测试的系统,能够实时检测、显示并保存单体电池的性能参数,系统具备良好的人机交互性能,方便设置测试操作流程。最后通过对四川能宝电源制造有限公司的12 V20 Ah的4个超级电容串联电池组进行测试,能够达到预期的测试效果。

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Research of monitoring system for capacity detection of supercapacitor battery pack

LI Ming-xing1,NIU Hong-tao2,WANG Lin2,ZHANG Jun-jie1
(1.School of Manufacturing Science&Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China；2.National Institute of Measurement and Testing Technology,Chengdu 610021,China)

Supercapacitor battery is a new type of energy storage device with large capacity.Battery cells are usually put together in parallel or in series as a battery pack for use.Capacity of a battery pack is considered as a key performance index. Currently,the automation level of capacity detection of supercapacitor battery pack is not high in the domestic market.The standards and methods of capacity detection are firstly summarized in this paper.Then the factors which affect the capacity of the battery pack are analyzed.A monitoring system for capacity detection of supercapacitor battery pack based on microcontrollers was designed,tested and verified by experiments.

supercapacitor battery；capacity detection；single-chip microcomputer；automatic detection device

TN709

：A

:1674-6236(2015)23-0088-04

2015-03-03稿件编号：201503055

四川省科技支撑计划项目(2014GZ0001)

李明兴(1990—)，男，四川宜宾人，硕士。研究方向：测控技术与仪器。