虛擬儀器技術在超級電容電池測試中的應用

作者/ 程中軍 南充市計量測試研究所(四川 南充 637300)

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/311939.htm

摘要：針對具有超級電容的電池或電池組測試需要，專門設計了基於虛擬儀器的測試平臺，通過該平臺可以對具有超級電容的電池、電池組進行充放電測試，並實時給出其電壓、電流、功率、容量、電池效率等多項參數。實驗結果表明，測試平臺安全可靠，測試精準，自動化水平高。

引言

　　近年來，新能源領域得到了空前發展。以電動汽車為代表的新能源汽車正被大面積推廣。新型動力電池是電動汽車的技術關鍵。鉛酸電池的大量使用容易造成環境的鉛汙染^[1]，而鋰電池的大電流放電能力不足，超級電容電池是近年來興起的一種新型電池。相比鉛酸電池和鋰電池，超級電容電池具有充電速度快、循環壽命長、容量大及對環境無汙染等優點，因而得到越來越廣泛的應用^[2]。超級電容電池伏安特性及其容量重要參數，產品出廠需要進行大量測試。專業的電池測試管理系統費用十分昂貴，因此，本文針對實驗室動力型超級電容電池的測試需要，在現有程控直流電源和電子負載的基礎上，採用虛擬儀器技術，在LabVIEW環境下搭建電池的軟體測試平臺，實現對電池測試的控制、數據採集和分析功能。

1 超級電容電池工作原理

　　超級電容電池原理上結合了超級電容器和鋰離子電池的優點^[3]。超級電容器主要是利用了多孔電極材料的高比表面積的特點，通過電解液離子極化形成的雙電層完成儲能^[4]。超級電容器在工作時，由於多孔材料做成的電極浸在電解溶液中，中間加有隔膜。當充電時，帶正電的電極大量吸附陰離子，而帶負電的電極吸附陽離子。但是電荷並不會通過電極表面轉移，而是在電極和電解液之間重新排列富集，從而產生了位移電流。於是能量就通過富集於電極表面而存儲^[5]。這種結構的電池具有功率密度高、循環壽命長和低溫性能好的優點。而鋰離子電池是一種典型的電化學電池，其正負電極中嵌有不同的鋰離子化合物。電池工作過程中，不斷有鋰離子從一端電極中脫離，經過電解液，又嵌入到另一端電極中。電荷就隨著電解液和電極之間的電化學反應而轉移^[6]。這種原理電池具有安全性好、能量密度高和自放電低的優點[5]。超級電容電池的一個電極採用雙電容儲能機制，另一個電極採用電化學儲能機制^[3]。因而具備了兩者的共同優點，尤其是高比功率、高比能量和高放電電壓以及長循環壽命的特點^[9]。

2 虛擬儀器介紹

　　虛擬儀器(Virtual Instruments,VI)是一種以計算機為載體的自動化測量與控制系統，用來實現對現實世界的各種物理量進行測量或對物理過程進行控制^[7]。NI公司為虛擬儀器設計的軟體環境是LabVIEW，是目前最常用的虛擬儀器開發平臺。LabVIEW編程環境主要包括前面板和後面板。其中前面板放置的是人機互動的控制項，完成計算機輸入設置、參數和圖像顯示，後面板完成程序的編寫。LabVIEW與傳統的編程軟體相比，採用的是非常直觀易懂的圖形語言，即G語言。不需要繁瑣的代碼編寫，只需把相關函數或者功能模塊的輸入輸出端子相應連接起來即可，大大降低了編程難度。LabVIEW開發環境自帶多種通信接口，包括RS232、USB、GPIB等，能夠非常便捷地與多種設備儀器進行通信。LabVIEW編程環境提供直接調用MATLAB的接口，能夠藉助MATLAB處理複雜的數據運算。

3 超級電容電池測試平臺設計

　　3.1 平臺整體結構

　　本文設計的超級電容電池測試平臺主要組成部分包括上位機的虛擬儀器部分、程控直流電源、電子負載以及充放電電路控制部分。電源、負載以及電路控制部分是平臺的執行機構，受到上位機虛擬儀器的控制，與上位機之間採用RS232C協議通信。平臺整體結構如圖1所示。電路控制需要一個能和上位機通信的處理器，接收上位機發出的電路開閉指令，並驅動電路中的接觸器斷開或閉合。為了今後能夠對測試平臺進一步改進，如進行測試中的超級電容電池電壓均衡控制或者其他更多參數實時測量等，下位機特為此預留出多個I/O口。

　　3.2 前面板設計

　　軟體的前面板是人機互動接口，前面板主要放置的是軟體需要的輸入輸出控制項。根據釩電池測試的具體要求，程序的前面板應該包括如下功能：輸入主要是電池充放電的參數，包括設備選擇、充放電方式選擇、參數大小、充放電截止參數/時間以及充放電啟動/停止/數據保存和電路開閉的開關和文件命名輸入等。輸出主要是軟體的顯示控制項，包括電池充放電曲線、實時電流電壓、當前累計充放電容量和測試時間。前面板不涉及到編程問題，一個良好的前面板設計，主要應該考慮各控制項的位置，保證整齊、美觀。圖2為本文設計的超級電容電池測試開放平臺前面板圖。

　　3.3 後面板程序設計

　　軟體後面板完成前面板中數據的傳遞，向硬體系統發出指令，接收數據處理等環節的任務。後面板的設計採用了模塊化的程序編程思想，先將系統需要實現的各個功能模塊編寫為可以在頂層程序中直接調用的子vi。本文著重介紹以下幾個重要模塊的編寫。

　　3.3.1 串口通信模塊設計

　　如前所述，本文中所涉及的通信全部是RS232通信。在LabVIEW中使用串口通信，需要藉助LabVIEW提供的VISA庫完成。VISA(Virtual Instruments Software Achitecture)虛擬儀器體系結構是VXI——即插即用聯盟規定的標準I/O接口軟體，是目前儀器設備接口類型功能函數的超集^[10]。LabVIEW環境自帶VISA的API函數，支持串口的讀寫、開閉及配置等操作。因此通過VISA可以實現任何類型的串口通信應用。如圖3為通信串口的配置和讀寫程序^[11-12]。程序首先配置串口通信參數為9600波特率，8位數據，零校驗和1位停止位。程序通過使用串口字節數屬性以讀取所有接收到的數據。

　　3.3.2 電源和負載控制及數據採集^[13]

　　本文程控直流電源和電子負載使用臺灣艾德克斯的大功率產品，作為程控設備採用的指令是SCPI指令。SCPI指令是一種用於可編程儀器的標準指令集，SCPI指令包括IEEE.2標準中的通用指令和設備特定指令。本文用到的是設備特定的指令，主要包括設置充放電參數、測量電壓電流及啟動與停止指令。其指令格式為：<關鍵字>：參數。電源提供的充電方式包括恆壓充電和恆流充電模式，電子負載還提供恆功率和固定電阻放電模式。因為充電時需要考慮在測試容量時有恆流轉恆壓的充電過程，因此需要設置充電電流和充電電壓。放電過程則只需要選擇某種特定的方式即可，不同方式對應於不同的SCPI指令，因此，在編寫這個部分時採用枚舉變量選擇case結構進行設置。

　　對於數據採集，主要是通過直流電源和電子負載遠端測量端子和輸出/入端構成的負反饋迴路，測量得到精確的電池端電壓及輸入/出電流大小，並以ASCII碼形式上傳到上位機進行處理。設備上傳數據需要得到上位機程序的指令才能進行。這裡需要用到兩條指令，即「MEAS:CURR?」和「MEAS:VOLT?」。平臺設置的採集時間間隔為1秒。這一部分放在主程序循環之中。測量電壓的程序圖如圖5所示。

　　平臺提供了數據的保存功能，由於LabVIEW提供有對excel電子表格的讀寫接口，本文將測量的原始數據和計算處理的數據統一保存在excel裡^[14-15]。Excel表頭包括序號、時間、電壓、電流、功率、安時容量和瓦時容量等欄目。其中的累計容量計算採用電流對時間積分求得^[1]，瓦時容量通過功率對時間的積分計算。

4 實驗驗證

　　利用此測試平臺，可以針對超級電容電池進行一系列基於充放電的測試實驗，如超級電容電池的容量測試、效率分析。本文以對四個標稱為35Ah的電池組成的串聯電池組的容量測試實驗為例對測試平臺進行驗證。根據超級電容電池組的測試標準^[1]，電池容量測試方法是先將電池充滿電，靜置到溫度穩定在25±2℃後，進行恆流放電，計算放電的安時容量。此處電池組設定恆流充電電流17.5A，待電池充電到電池組端電壓上升到60V時，轉為恆壓充電模式，待電流下降低於0.3A時，認為電池已完全充滿。放電過程採用17.5A電流恆流放電，電壓截止電壓設定為42V，得到放電容量值為32.4Ah。圖6為實驗的充放電曲線。電池放出的容量小於35Ah，這是因為，當電壓下降到42V後，還能繼續放電。但此時，從圖中可以看出，電壓和功率正在迅速降低，設定42V的截止電壓是因為電池在實際工作中保持適度的放電深度對電池是有好處的。另外，在這個充放電過程中隨機選擇多點，採用電壓表測量電池組端電壓，使用福祿克的電流鉗測量電路中的電流，均與直流電源、電子負載顯示以及上傳的數據吻合。因此，實驗證明該平臺在超級電容電池測試應用中是可靠的。

5 結束語

　　本文針對超級電容電池的測試需求，利用實驗室的程控直流電源和電子負載，提出了一種基於虛擬儀器的電池測試平臺設計，設計了友好的人機互動界面，完成了各項功能設計。該平臺能夠實時採集電池測試過程參數，具備保存數據，繪製電流電壓曲線，計算容量等多項功能。實驗證明，使用該平臺對超級電容電池進行測試是安全可靠的。

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本文來源於中國科技期刊《電子產品世界》2016年第10期第76頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。