伴隨著科技的進(jìn)步，電動汽車技術(shù)得到迅速的發(fā)展，相比內(nèi)燃機(jī)汽車，電動汽車具有零排放、高性能效率、低噪聲、低熱輻射、易操縱和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，將是未來汽車發(fā)展的方向，也是現(xiàn)行研究的熱點(diǎn)。
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。燃料電池、蓄電池和超級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、繞料電池或者超級電容，難以用作電動汽車的動力源。混合電池是一比較理想的解決方法，采用混合電池驅(qū)動系統(tǒng)，特別利用超級電容快速充放電能實(shí)現(xiàn)汽車制動能量回收，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/超級電容組成的混合驅(qū)動系統(tǒng)成為電動車驅(qū)動的最佳方案[2]。
對于車載用電源，為達(dá)到較高功率和能量，超級電容往往采用多塊單體串聯(lián)的形式，伴隨著電容串級的提升，電池整體電壓也隨之提高，對于車載電池，超級電容工作電壓常達(dá)到幾百伏，而這樣高峰值的電壓引起的波動會帶來強(qiáng)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(lián)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，如中型客車用超級電容以150A電流放電時，端電壓會在1分鐘之內(nèi)由300V減到70V，而200V恒壓沖電時電流也會在幾分鐘內(nèi)由50A增大到150A左右，這樣迅速的充放電速度和幅度帶來的噪音影響也是十分巨大。
針對超級電容特殊的工作狀況，本論文給出一種超級電容電池檢測系統(tǒng)，通過對超級電容組件進(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)對比，從而驗(yàn)證出本檢測系統(tǒng)能在強(qiáng)電壓電流變化情況下快速實(shí)現(xiàn)較高的檢測精度。
1 檢測系統(tǒng)原理及各模塊實(shí)現(xiàn)
1.1 檢測對象
測試用超級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)不對稱電極雙電層超級電容組件。
1.2 系統(tǒng)原理介紹
超級電容管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對超級電容工作電流和電壓的實(shí)時采集，超級電容管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)共由3個主要模塊組成：現(xiàn)場電壓、電流、采集與調(diào)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(nèi)、霍爾電壓、霍爾電流傳感器分別為超級電容電壓和電流進(jìn)行現(xiàn)場采集，采集信號經(jīng)過儀用放大、然后轉(zhuǎn)化為4mA-20mA電流信號并發(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，經(jīng)過電流電壓變換后，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CAN接口傳送到上位機(jī)，當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)異常時MCU輸出故障信號，以便工作人員能及時采取措施，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。
采集模塊輸入的4mA-20mA電流信號首先經(jīng)過模擬信號二次調(diào)理單元，進(jìn)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(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)輸出電壓比較小時，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的隔離，隔離后的信號經(jīng)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(diào)理后的采集信號，經(jīng)過12位高速AD7891送至MCU，MCU對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將數(shù)據(jù)通過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6000V靜電，很好地滿足了超級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，測試系統(tǒng)設(shè)置3通道故障診斷輸出，能顯示欠壓、過壓、過流等狀態(tài)，測試系統(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，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)，防止浪涌電壓對系統(tǒng)的損壞，同時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對所供電路的干擾。
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)電路板的同時隔離外界磁場。
2 測試系統(tǒng)實(shí)測結(jié)果對比及分析
2.1 測試內(nèi)容
實(shí)驗(yàn)選定以70A和150A兩種模式對兩組串聯(lián)的超級電容組件進(jìn)行充放電測試，首先，對電容進(jìn)行恒流充電，當(dāng)總線電壓達(dá)到300V時，轉(zhuǎn)為恒壓充電，當(dāng)總線電流降低到10A時進(jìn)行70A恒流放電，如此循環(huán)測試5個周期。
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試曲線對比，其中，圖4表示70A和150A的兩種標(biāo)準(zhǔn)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(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)并且僅靠單體電容，電容充放電時產(chǎn)生的噪聲干擾比較嚴(yán)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(jié)果的相對誤差減小，但絕對誤差保持一致，不超過3A。
