基于单片机的车载超级电容测试系统设计

随着科技的进步，电动汽车技术也得到了迅速的发展;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，而对于车载用电源，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。但随着电容串级的提升，电池整体电压也随之提高，然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，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。因此针对超级电容特殊的工作状况，本文给出了一种利用单片机设计的超级电容电池测试系统方案。

1.测试系统原理

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，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。

图1 超级电容管理系统整体结构图

2.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。

2.1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。本文选用的是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。

图2 电流采集模块原理图

总线电压的采集同样选用基于磁补偿原理的闭环霍尔电压传感器VSM025A，实现原理与电流采集相同。

2.2中央处理模块实现

中央处理模块是测试系统的核心部分，包括MCU和AD单元、模拟信号二次调理单元、故障输出单元和CAN接口单元等，如图3所示。

图3 电压信号调理支路

采集模块输入的4mA～20mA电流信号首先经过模拟信号二次调理单元，进行信号的变送、隔离、滤波和放大。模拟信号的隔离方式很多，常用的方法为隔离放大器、线性光耦以及电压频率转化，其中隔离放大器和线性光耦隔离电压高，抗干扰能力强，线性度高，但线性光耦隔离线路复杂，需要调整的参数较多，并且当输入电压比较小时，线性度较差。本文选用的是高精度ISO124U隔离运算放大器完成输入模拟信号的隔离，隔离后的信号经5阶Butterworth低通滤波MAX280电路过滤高频干扰，随后通过一射极跟随器送出。

二次调理后的采集信号，经过12位高速AD7891送至MCU。MCU对数据进行处理并将数据通过CAN接口传送到上位机。单片机选用STC系列8位高速单片机STC89C58RD+。该单片机具有强抗干扰性，4kV快速脉冲干扰(EFT)和高抗静电(ESD)，可通过6000V静电，很好地满足了超级电容高电压大电流的工作环境。该单片机可实现6时钟模式，在本系统采用24M晶振情况下，单片机工作频率可达到4MIPS，相当于普通51系列单片机运行速度的4倍。

另外，测试系统设置3通道故障诊断输出，能显示欠压、过压、过流等状态。测试系统与上位机采用抗干扰能力强、稳定性好的CAN通信方式，保证测试系统送入上位机数据的可靠性。

实际系统有模拟±15V，数字±5V，模拟±12V供电需求，电源管理模块在提供系统各部分所需电压的同时，进行模拟、数字电路隔离，从而避免两类电压互相影响。各部分电源入口都增加了TVS保护，防止浪涌电压对系统的损坏。同时在诸多电源入口处设置相应的滤波电路，如在AD供电入口处增加了π形滤波电路，较好地消除电源信号对所供电路的干扰。

而且外部连线均采用屏蔽线，能较强地屏蔽线路传输中的电磁干扰。所有电流板使用型材铝盒包装，采用标准航空接头与外界联线，这样在保护电路板的同时隔离外界磁场。

3.测试内容

实验选定以70A和150A两种模式对两组串联的超级电容组件进行充放电测试。首先，对电容进行恒流充电，当总线电压达到300V时，转为恒压充电，当总线电流降低到10A时进行70A恒流放电，如此循环测试5个周期。

4.实验结果

图4、图5、图6给出了两种情况下的测试曲线对比。其中，图4表示70A和150A两种标准测试情况下，电流的变化曲线。图5、图6表示两种情况下，电压曲线特性。可以看出两者的匹配程度很好。电压测试精度高于电流测试精度，这是由于一方面充放电系统本身电压比电流控制精度要高，另一方面电流传感器安置在电容箱体内并且紧靠单体电容，电容充放电时产生的噪声干扰比较严重。同时，霍尔电流传感器孔径较大，穿过电流总线后仍有一定空隙，在一定程度上影响了测试精度。对比各组电流曲线，可以看出随着电流的增大，测试结果的相对误差减小，但绝对误差保持一致，不超过3A。

图4 70A与150A充放电电流测试对比曲线

图5 70A充放电电压测试对比曲线

图6 150A充放电电压测试对比曲线

总结

以上就是基于单片机的车载超级电容测试系统设计介绍了。该系统采用基于磁补偿原理的霍尔闭环电流、电压传感器采集总线信号，以抗高压脉冲干扰的STC51高速单片机进行信号处理，并采用仪用放大、电流传输、模拟信号隔离、5阶低通滤波等措施，尽可能地减少信号传输过程的噪音。通过对超级电容组件充放电测试，表明本系统具有抗干扰能力强、检测精度高等优点，能很好的满足车载超级电容高电压大电流环境下的测试要求。

审核编辑：汤梓红