超级电容器充放电性能测试系统的设计*

耿贵明，荣宪伟，于晓艳

(哈尔滨师范大学)

0 引言

目前，能源和环境问题成为社会关注的热点，节能环保一直是全球提倡的主题[1].近年来，随着传统燃料汽车的普及，使城市的环境变得更加恶劣，为了有效的遏制环境的恶化，电动汽车的研发成为了很有前景的技术，电动汽车的产生不仅节省了传统的燃料，而且能减少温室气体的排放[2].目前应用最多的是混合动力汽车，它是由超级电容器和传统的蓄电池结合成一种混合储能系统来驱动汽车的行驶，其中超级电容器可以为混合储能系统提供峰值功率，能够保证传统的蓄电池输出平稳的功率，延长传统蓄电池的寿命[3，12].但是超级电容器在提供峰值功率时，需要进行深度和快速的充放电循环，这样会加剧超级电容器的热效应和电化学效应，在化学反应过程中会生成一些杂质粒子，积存到电解液中，杂质粒子会堵塞电极空隙，致使超级电容器的电极表面积减小和增加超级电容的等效内阻，导致超级电容器运行状态下降甚至损坏，在这种情况下，超级电容器的状态检测对应用超级电容器的系统的安全运行至关重要[4].

该文的主要研究内容分为以下部分：在第一部分，论述了超级电容器的内部结构，以及超级电容器的应用领域.在第二部分，对超级电容器监控系统的组成和控制机理进行详细的描述，分析设计了参数测量电路和数控电源的硬件电路.第三部分介绍了QT软件的优势和应用领域，以及测试系统软件的开发流程与步骤.在第四部分，采用测试系统分别对普通电容器与超级电容器进行测试，通过对实验数据的分析和总结，验证了测试系统运行的可靠性和准确性.最后，在第五部分中，对论文的主要研究工作进行了总结.

1 硬件系统设计

1.1 系统的整体结构

超级电容器因其具有充放电效率快，功率密度高，循环寿命长等优点[5]，广泛的应用在电动汽车、混合动力汽车、智能电网、无线传感网络和生物医学设备等领域[6].在实际应用中，超级电容器单体的电压和储能容量不能满足以上储能系统的需求.因此在应用中，通常将数只超级电容器进行串联或并联，组成超级电容器组[7]，以满足大型储能系统的需求.考虑以上因素，该文设计的超级电容器的测试系统，可以对单体的普通电容器、单体超级电容器和超级电容器组进行测试，这样能直观地观察出单体电容器与超级电容器组的运行状态.

该系统能够实现对超级电容器进行恒压的充放电，并且能在充放电过程监测超级电容器组或单体超级电容器的电压、电流、温度等参数，并能在上位机进行实时的显示.测试系统整体由五个模块组成，电源模块，主要包括数控恒压源；参数测量模块，包括电压、电流、以及温度参数的测量；控制模块，主要作用是控制充放电电阻网络实现不同量程切换；系统软件，主要是由STM32与上位机软件组成，主控芯片STM32主要负责参数的测量，上位机负责性能参数的显示和数据图像的绘制.系统的整体结构示意图如图1所示.

图1 系统整体结构示意图

1.2 电压电流测量电路设计

超级电容器充放电时刻的电压和电流信号可以显示出超级电容器的工作情况.该系统采用主控芯片STM32自带的3路ADC对电压信号进行测量，STM32F103系列芯片自带的ADC转换精度为12位，转换的最小电压精度为0.014V,每路ADC具有16个数据转换通道，可以进行16个信号源的转换，满足本监控系统对电压和点电流信号的数量和精度的要求[8].

在实际应用中，普通电容器或超级电容器组的额定电压值，将会超出主控芯片测量的阈值范围.因此，要对其进行电压和电流的测量，需要将超级电容器组或普通电容器的端电压进行分压至TTL电平范围内，以适应ADC外设的电平采样范围.该系统采用高精度低温漂的BWL EE型模压线绕电阻、具有双4选1 的CD4052模拟开关以及运算放大器等组成的测量范围可控的电阻分压模块，对超级电容器组的电压进行测量.图2为电阻分压模块电路图，其中U21为电压跟随器由OPA277运算放大器构成，电压跟随器的输入阻抗很高，输出阻抗很小，一方面可以减小输入信号对测量质量的影响.另一方面，可以减小ADC输入阻抗对信号的影响.图2中D20、D21组成保护电路，防止倒流损坏器件.

对于电流信号的测量，传统的方法是将电流信号通过采样电阻的分压，转换成电压信号再进行测量，这种方法运行稳定，但测量精度不高[9].第二种方法采用差分运放电路对电流信号进行测量，优点是差分放大可以抑制零漂，可以提高测量精度，但是需要负电压的输入.综合以上考虑，由于该文设计的超级电容器测试系统是通过测量数据对超级电容器运行的性能来进行分析，对于测量的数据精度有较高的要求，因此，该系统采用差分放大的方法进行电流的测量.

图2 电阻分压电路

图3 电流测量电路

1.3 数控电源的电路设计

该测试系统的电源模块主要是数控直流稳压电源，主要功能是通过上位机的控制，能对超级电容器进行恒压的充电测试.数控直流稳压源主要是由LM2596开关调节器和LM358运算放大器组成,LM2596开关调节器可以提供稳定的直流电压，运用LM358可以实现数控直流电压调节，其控制逻辑是通过上位机控制STM32的DAC外设，通过DAC引脚输出模拟电压来调节数控稳压源的直流电压.数控直流稳压电源可以为监控系统提供稳定的直流电压输出，供超级电容器充电使用.数控可调稳压电源电路图，如图4所示.

图4 数控可调稳压电源

2 系统软件设计

该测试系统软件主要分为STM32嵌入式编程和QT编程，上位机由QT软件进行设计，QT是面向对象程序化语言,它具有优良的跨平台特性，能兼容Windows、Linux和UNIX等平台，同时QT具有丰富的API，具有良好的扩展性能[10].对于该测试系统，测试不同的超级电容储能系统，需要进行跨平台的操作，因此采用QT平台进行上位机软件的开发具有较好的发展前景.嵌入式编程主要流程如图5所示，嵌入式编程分为主程序流程图和串口中断服务流程图.在主程序的运行过程中，首先需要对系统通信模块、测量模块、中断和系统参数进行初始化.初始化完成后，等待串口中断的到来，当接收到上位机的合格指令时，由中断服务程序进行指令解析，并生成标志，主程序根据不同的标志，来运行模块的控制指令和参数的测量.上位机参数配置完成后，等待下位机测量完成信号，接收到测量完成信号后，开始进行数据解析，解析完成后，在上位机界面上显示出超级电容器的性能参数，并绘制出I-t、U-t曲线，从而能够更加直观的观察超级电容运行的状态.

图5 嵌入式软件系统流程图

3 系统测试

采用该测试系统分别对16V-1000 μf的普通电容器和2.7 V-1F的超级电容器进行恒压充放电测试，通过上位机中的数据曲线图以及超级电容器在充放电过程中性能参数的变化，比较分析超级电容器测试系统的稳定性、精确度、适用范围.

首先，在25℃恒温环境下，对单体普通电容器进行预处理后，将待测电容完全放电[12]，在上位机上设置电压和电流监测量程以及数据采样间隔，通过设置软件控制数控恒压源输出10 V的直流电压对16V-1000 μf的普通电容器进行充电，并将充电电阻网络的阻值设置为1 kΩ，充放电为时间均设置为10 s，测得的充放电曲线如图6所示.

图6中(a)(b)为普通电容器恒压充电10 s的电压、电流充电曲线，(c)(d)为普通电容器充满后放电10 s的电压、电流曲线，通过计算可以得知，RC网络的时间常数为1τ，恒压充电在4τ时，电容器的容量为总容量的98.2%，根据图(a)可以看出4 s时刻，电容器两端的电压为9.75V，占总容量的97.5%，相对误差为约为0.7%，测量精度符合电容器监测精度范围，系统可靠性较高.

图6 16V-1000μf电容器恒压充放电曲线图

在相同的实验条件下，使用该系统对2.7 V-1F超级电容器进行测试，充放电电阻网络阻值均设置为10 Ω，并将预处理后的超级电容器进行完全放电，上位机设置充电电压为2.7 V，充放电时间均为15 s，参数设置完毕后，开始进行充放电，测得的充放电曲线如图7所示.

图7中子图(a)(b)分别为2.7 V-1 F的超级电容器恒压充电的电压、电流数据曲线，图(c)(d)分别为超级电容器充电至15 s，放电15 s的电压、电流曲线，从图中可以看出，由于时间常数为10τ较大，计算可得恒压充电完成需要近40 s的时间，因此，图中的数据曲线较为平缓.

图7 2.7 V-1 F超级电容器恒压充放电曲线图

比较图6、7可以看出，该文设计的监控系统能够适用于普通电容器和超级电容器的监测，并且在电流和电压的每个量程都能稳定的运行，且图像的数据曲线没有较大的波动，测试系统能在恒压的条件下稳定运行.

4 结论

该文分析了影响超级电容稳定运行的因素，设计了一套以STM32为主控芯片的超级电容器测试系统，该测试系统能够实现恒压的方式对超级电容进器行充电，并能实时监测超级电容器运行的电压和电流以及温度的变化.测试系统提供了不同的电压、电流测量范围，在使用时可以根据所需要测量的范围自行切换，在测试超级电容器性能指标时，可以根据精度需要，更改超级电容器充放电时间及数据采样间隔，在测试完成后可以通过保存按钮，将需要的数据资料进行保存.实验部分采用测试系统分别对普通电容器和超级电容器进行测试，通过对上位机显示的性能参数和数据图像进行分析比较，可以得出，该超级电容器测试系统具有较好的稳定性，操作灵活方便，测试范围广，能够达到预期的测试效果.