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基于单片机的车载超级电容测试系统设计

2019年11月02日 文章来源:网络整理 热度:113℃ 作者:刘英

伴随着科技的进步,电动汽车技术得到迅速的发展。相比内燃机汽车,电动汽车具有零排放、高能量效率、低噪声、低热辐射、易操纵和易维护等优点,将是未来汽车发展的方向,也是现行研究的热点。
  电动汽车的动力电池有如下三类:燃料电池、蓄电池和超级电容。燃料电池、蓄电池和超级电容在能量密度和功率密度上有互补性[1]。单一使用蓄电池、燃料电池或者超级电容,难以用作电动汽车的动力源。混合电池是一比较理想的解决办法。采用混合电池驱动系统,特别利用超级电容快速充放电能实现汽车制动能量回收,以及燃料电池超大能量密度支持汽车持久行驶,使得燃料电池/超级电容组成的混合驱动系统成为电动车驱动的最佳方案[2]。
  对于车载用电源,为达到较高功率和能量,超级电容往往采用多块单体串联的形式。伴随着电容串级的提升,电池整体电压也随之提高;对于车载电池,超级电容工作电压常达到几百伏,而这样高峰值的电压引起的波动会带来强烈的电磁干扰,为电容组件的检测带来很大的困难。同时由于串联超级电容往往采用大电流充放电(通常在50A~150A之间),电压、电流变化十分迅速。如中型客车用超级电容以150A电流放电时,端电压会在1分钟之内由300V减到70V,而200V恒压冲电时电流也会在几分钟内由50A增大到150A左右,这样迅速的充放电速度和幅度带来的噪音影响也是十分巨大。
  针对超级电容特殊的工作状况,本论文给出一种超级电容电池检测系统。通过对超级电容组件进行充放电循环试验采集其电压、电流参数,并与标准参数对比,从而验证出本检测系统能在强电压电流变化情况下快速实现较高的检测精度。
1 检测系统原理及各模块实现
1.1 检测对象
  测试用超级电容采用上海奥威科技开发有限公司提供的两组串联不对称电极双电层超级电容组件。
1.2 系统原理介绍
  超级电容管理系统可实现对超级电容工作电流和电压的实时采集。超级电容管理系统整体结构框图如图1所示。系统共由3个主要模块组成:现场电压、电流、采集与调理模块(即采集模块),信号隔离与MCU信号处理模块(即中央处理模块),电源管理模块。采集模块内,霍尔电压、霍尔电流传感器分别对超级电容电压和电流进行现场采集,采集信号经过仪用放大,然后转化为4mA~20mA电流信号并发送到中央处理模块。中央处理模块内,采集模块发送的4mA~20mA电流信号,经过电流电压变换后,再进行隔离放大、AD转换并送到MCU;MCU将数据处理后通过CAN接口传送到上位机;当检测到数据异常时MCU输出故障信号,以便工作人员能即时采取措施。电源管理模块为各功能模块提供稳定隔离的电压。增加RS232通信串口,以便MCU程序烧录。

基于单片机的车载超级电容测试系统设计


1.3 各主要模块的实现
  本测试系统分别采用四块电路板,以实现三大功能模块——采集模块、中央处理模块和电源管理模块。即电压采集与初调理板、中央处理板以及电源板。下边着重介绍电压、电流采集模块和中央处理模块的实现。

基于单片机的车载超级电容测试系统设计


1.3.1 采集模块的实现
  采集模块包括总线电流的采集、总线电压的采集两个部分,图2即为电流采集原理图。采用霍尔电流传感器隔离被测系统,比传统的基于电阻采样的电流分压电路精度高,安全性能好,抗干扰能力强。本文选用Honywell公司的基于磁补偿原理的霍尔闭环电流传感器CSNK591,测量范围±1200A,线性精度达到0.1%,总体精度达到0.5%,响应速度小于1μs,完全满足了系统的要求。采集信号经精密电阻转变为电压信号,再由仪用放大器放大为±5V双极性电压信号。系统选用AD620BR仪用放大芯片,该芯片在增益较低时具有较大的共模抑制比(G=10时,共模抑制比最小为100dB),能较强地抑制由于温度、电磁噪声等因素引起的共模干扰。放大信号通过OP27GS芯片抬升至0~10V单极性信号,经过射极跟随器送至变送器XTR110KU,转为4mA~20mA的电流信号送到中央处理模块。之所以将采集信号转变为4mA~20mA电流信号,是考虑到与工业接口标准的统一,并且采用电流传输抗干扰能力强。

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