超級電容電池容量自動檢測系統的研究

張俊杰，牛紅濤，郭乃理

（1.四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065；2.中國測試技術研究院 四川 成都 610021）

超級電容電池作為新型儲能裝置，具有充電速度快，循環使用壽命長，超低溫性能好，使用方便，無環境污染等諸多優點。由于石油資源日趨短缺，并且燃燒石油對環境危害越來越嚴重，機動車工業對以新能源作為動力源的需求越來越緊迫，我國正逐步加快新能源技術的研發，超級電容電池的諸多優點將使其得到廣泛的推廣和應用。

目前，國內對于超級電容電池的容量檢測并沒有形成一套完整的自動化系統，且現有的電池檢測方法并不適用于超級電容電池的容量測試[1-3]，本文提出以STC89C52RC單片機為核心控制器件，通過A/D轉換芯片采集電流、電壓信息，以USB轉RS232實現串口通信，采用繼電器實現充放電過程自動切換的自動化在線檢測裝置[4-7]。

1 容量測試方法及系統整體結構

1.1 系統整體結構

圖1為系統整體結構圖，計算機與單片機自動控制系統通過USB轉串口相互傳輸數據，單片機通過判斷計算機數據來控制繼電器的開啟和關閉，充電時溫度傳感器采集數據并傳輸給自動控制系統，充電完成后，被測電容電池對直流電子負載放電，整個過程中檢測裝置與計算機系統始終保持串口通信，檢測裝置通過A/D轉換器將信息傳遞到計算機上顯示，檢測結束后檢測軟件自動生成放電曲線，并計算得出電池容量。

圖1 系統整體結構圖Fig.1 Overall system structure

1.2 容量測試方法及流程

測試過程分為充電過程和放電過程。

充電過程中，裝置采用IT6532A型電源為超級電容電池充電，此電源為艾德克斯電子有限公司生產的IT6500A系列可編程大功率電源供應器，此系列電源輸出功率大，且配有標準的RS232/USB/GPIB/Ethernet通訊接口，IT6532A型電源輸出額定電壓為0～80 V，輸出額定電流為0～240 A，連接電池后先以恒定電流進行充電至電壓達到15 V，然后以端電壓15.00 V±0.10 V（限流I，即2hr率電流）的恒定電壓連續充電2 h。電池充滿。

放電過程中，系統采用IT8818型負載對電容電池放電，IT8818型負載為艾德克斯電子有限公司生產的直流可編程電子負載，額定輸入電壓為0～120 V，額定輸入電流為0～480 A。通過計算機系統設定輸入電流對電池進行放電，電池電壓下降，當電壓傳感器檢測到電池電壓低于10.5 V時，繼電器斷開，放電結束。

根據電池容量C＝放電電池I（恒流）×放電時間 T（小時）即可計算出此電池的容量。

超級電容電池低溫特性測試方法：將電池完全充電后在（－30±1）℃環境中保持6小時，用電子負載以恒定電流進行放電至電池端電壓達10.50 V，記錄電池放電時間并計算出電池的實際容量。

高倍率放電能力測試方法：充電后靜置4hr；以4I的電流放電至蓄電池端電壓為10.5 V；記錄放電持續時間并計算得出電池容量。

2 系統硬件設計

2.1 整體設計

系統采用STC89C52RC單片機作為控制核心，通過兩個繼電器RL1與RL2實現對電源及負載的連接，RL1與電源相連接，起到對電源的控制作用；RL2與電子負載相連接，起到對負載的控制。利用芯片74HC573來選擇工作繼電器，使用外部驅動電源提供電流給繼電器以控制其關斷或打開。溫度傳感器通過單片機引腳將測試過程中的電池表面溫度反饋至單片機，以保證電池的安全。為實現充放電過程中對電池的實時控制以及對電池的電壓電流等各個參數的顯示，系統采用CHV－25P霍爾電壓傳感器以及CSM300B霍爾電流傳感器，經過運算放大器后接到芯片ADC7705（16位串行轉換芯片）的輸入引腳，并通過單片機串口直接顯示在計算機上。通過單片機對放電電流和放電時間的積分運算可求得放出的電量。

STC89C52RC是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，以8051為內核的新一代51單片機。作為傳統8051內核的增強型單片機，STC89C52RC單片機具備超強的抗干擾能力，運用在電氣系統中，滿足復雜電磁環境下可靠性的要求。同時該單片機內部MAX810復位電路，免去外接復位電路，簡化系統設計。單片機上已集成有大容量的ROM和RAM存儲器，為程序設計和數據處理提供充足的空間。

2.2 繼電器驅動電路

如圖2所示，繼電器RL1與電源串聯，RL2與負載串聯，并聯后連接于電路中，電容電池連接在干路中，充電時，RL1處于常閉狀態時電源與電池接通，RL2處于常開狀態，充電完成后，繼電器RL1斷開，RL2處于常閉，連接電池與負載，并對負載進行放電。放點結束后，繼電器RL2斷開，實驗結束。

利用芯片74HC573鎖存功能實現對繼電器的選擇，74HC573是是一種高性能硅門CMOS器件，工作電壓為2～6 V，D0～D7為信號輸入端口，Q0～Q7為輸出端，11引腳 LE為鎖存控制端，當其為高電平時，Q輸出將隨數據（D）輸入而變。當其為低電平時，輸出將鎖存在已建立的數據電平上。引腳Q0與Q1分別接RL1與RL2，輸入端D0與D1連接單片機的P1.0與P1.1。通過軟件實現對繼電器的控制。

圖2 繼電器驅動電路Fig.2 Relay drive circuit

圖3 溫度傳感器Fig.3 Temperature sensor

2.3 溫度傳感器

溫度傳感器DS18B20具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點，且僅需要一條口線即可實現單片機與DS18B20的雙向通訊。本實驗中將溫度傳感器的DQ引腳與單片機的P2.1端口相連接實現數字的輸入輸出。

2.4 STC89C52和A/D接口電路

此電路為整個超級電容電池檢測系統的核心控制，主要包括單片機STC89C52，模數轉換芯片AD7705，CSM300B霍爾電流傳感器，CHV-25P/400電壓傳感器，AD7705為完整16位、低成本、Σ-Δ型ADC，適合直流和低頻交流測量應用。其具有低功耗（3 V時最大值為1 mW）特性，應用于低頻測量的2/3通道的模擬前端，該器件可以接受直接來自傳感器的低電平的輸入信號，然后產生串行的數字輸出。AD7705有兩個模擬輸入對，即 AIN1（+），AIN1（-）和 AIN2（+），AIN2（-），在此使用 AIN1（+）和 AIN1（-）接電流傳感器，AIN2（+）和AIN2（-）接電壓傳感器，將傳感器采集到的模擬信號轉換為數字信號通過引腳輸入單片機，再經過串口通信顯示在計算機上。

圖4 A/D芯片與單片機連接Fig.4 Connection of A/D chip and single chip microcomputer

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software flow pattern

3 軟件設計

圖5為這個系統的軟件流程圖，由此軟件功能測試出電池的放電時間與放電電流，積分后得出電池的實際容量。

打開測試軟件后，輸入設定參數，電壓、電流。時間等，對電池進行預處理，放完電池內原有電量。對電池進行充電，通過A/D轉換芯片、單片機與電腦保持實時通信，此過程中電池由于恒流充電和恒壓充電，電量增加，溫度會升高，溫度傳感器將電池表面溫度顯示于計算機，若超過設定溫度，單片機通過芯片驅動繼電器停止充電，正常充電后，保存充電數據于計算機的軟件中，繼電器RL1斷開，RL2閉合，電池與電子負載連接進入放電模式，電池以恒定電流對負載放電，直到電壓低于10.5 V時，繼電器斷開，放電過程結束，存儲放電數據，且直接在測試軟件上生成放電曲線，將放電電流與放電時間積分，即可得到電池的實際容量。

圖6 實際容量測試放電曲線Fig.6 The actual capacity test discharge curve

4 測試結果

實驗采用一個額定容量為10 Ah、額定電壓為12 V、質量為4.330 kg的超級電容電池。將電池完全充電后，在恒溫環境中靜置至表面溫度為（25±2）℃，用電子負載以I=5 A電流進行放電至電池端電壓達10.50 V，記錄放電時間，得出放電容量為12.10 Ah，圖6為電池常溫放電曲線。

進行低溫測試實驗時，將電池完全充電后在（-30±1）℃環境中保持6小時，用電子負載以I=5 A電流進行放電至電池端電壓達10.50 V，記錄放電時間得出低溫容量為6.12 Ah，放電曲線如圖7所示。

圖7 低溫特性測試放電曲線Fig.7 The low temperature characteristic testing discharge curve

進行高倍率放電能力測試時，將電池完全充電后在（25±2）℃環境中保持4小時，用電子負載分別以10 A、15 A、20 A電流進行放電至電池端電壓達10.50 V，記錄電池放電時間和實際容量，如表1所示。

表1 高倍率放電能力測試結果Tab.1 High discharge capacity test results

5 結束語

文中提出一種用于超級電容電池容量測試的單片機充放電控制系統，在規定溫度條件下，通過放電電流與時間的積分得出電池的實際容量，系統穩定可靠，安全系數高，對電池的檢測系統及方法有重要意義。

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