超级电容电池容量自动检测系统的研究

张俊杰，牛红涛，郭乃理

（1.四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065；2.中国测试技术研究院 四川 成都 610021）

超级电容电池作为新型储能装置，具有充电速度快，循环使用寿命长，超低温性能好，使用方便，无环境污染等诸多优点。由于石油资源日趋短缺，并且燃烧石油对环境危害越来越严重，机动车工业对以新能源作为动力源的需求越来越紧迫，我国正逐步加快新能源技术的研发，超级电容电池的诸多优点将使其得到广泛的推广和应用。

目前，国内对于超级电容电池的容量检测并没有形成一套完整的自动化系统，且现有的电池检测方法并不适用于超级电容电池的容量测试[1-3]，本文提出以STC89C52RC单片机为核心控制器件，通过A/D转换芯片采集电流、电压信息，以USB转RS232实现串口通信，采用继电器实现充放电过程自动切换的自动化在线检测装置[4-7]。

1 容量测试方法及系统整体结构

1.1 系统整体结构

图1为系统整体结构图，计算机与单片机自动控制系统通过USB转串口相互传输数据，单片机通过判断计算机数据来控制继电器的开启和关闭，充电时温度传感器采集数据并传输给自动控制系统，充电完成后，被测电容电池对直流电子负载放电，整个过程中检测装置与计算机系统始终保持串口通信，检测装置通过A/D转换器将信息传递到计算机上显示，检测结束后检测软件自动生成放电曲线，并计算得出电池容量。

图1 系统整体结构图Fig.1 Overall system structure

1.2 容量测试方法及流程

测试过程分为充电过程和放电过程。

充电过程中，装置采用IT6532A型电源为超级电容电池充电，此电源为艾德克斯电子有限公司生产的IT6500A系列可编程大功率电源供应器，此系列电源输出功率大，且配有标准的RS232/USB/GPIB/Ethernet通讯接口，IT6532A型电源输出额定电压为0～80 V，输出额定电流为0～240 A，连接电池后先以恒定电流进行充电至电压达到15 V，然后以端电压15.00 V±0.10 V（限流I，即2hr率电流）的恒定电压连续充电2 h。电池充满。

放电过程中，系统采用IT8818型负载对电容电池放电，IT8818型负载为艾德克斯电子有限公司生产的直流可编程电子负载，额定输入电压为0～120 V，额定输入电流为0～480 A。通过计算机系统设定输入电流对电池进行放电，电池电压下降，当电压传感器检测到电池电压低于10.5 V时，继电器断开，放电结束。

根据电池容量C＝放电电池I（恒流）×放电时间 T（小时）即可计算出此电池的容量。

超级电容电池低温特性测试方法：将电池完全充电后在（－30±1）℃环境中保持6小时，用电子负载以恒定电流进行放电至电池端电压达10.50 V，记录电池放电时间并计算出电池的实际容量。

高倍率放电能力测试方法：充电后静置4hr；以4I的电流放电至蓄电池端电压为10.5 V；记录放电持续时间并计算得出电池容量。

2 系统硬件设计

2.1 整体设计

系统采用STC89C52RC单片机作为控制核心，通过两个继电器RL1与RL2实现对电源及负载的连接，RL1与电源相连接，起到对电源的控制作用；RL2与电子负载相连接，起到对负载的控制。利用芯片74HC573来选择工作继电器，使用外部驱动电源提供电流给继电器以控制其关断或打开。温度传感器通过单片机引脚将测试过程中的电池表面温度反馈至单片机，以保证电池的安全。为实现充放电过程中对电池的实时控制以及对电池的电压电流等各个参数的显示，系统采用CHV－25P霍尔电压传感器以及CSM300B霍尔电流传感器，经过运算放大器后接到芯片ADC7705（16位串行转换芯片）的输入引脚，并通过单片机串口直接显示在计算机上。通过单片机对放电电流和放电时间的积分运算可求得放出的电量。

STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，以8051为内核的新一代51单片机。作为传统8051内核的增强型单片机，STC89C52RC单片机具备超强的抗干扰能力，运用在电气系统中，满足复杂电磁环境下可靠性的要求。同时该单片机内部MAX810复位电路，免去外接复位电路，简化系统设计。单片机上已集成有大容量的ROM和RAM存储器，为程序设计和数据处理提供充足的空间。

2.2 继电器驱动电路

如图2所示，继电器RL1与电源串联，RL2与负载串联，并联后连接于电路中，电容电池连接在干路中，充电时，RL1处于常闭状态时电源与电池接通，RL2处于常开状态，充电完成后，继电器RL1断开，RL2处于常闭，连接电池与负载，并对负载进行放电。放点结束后，继电器RL2断开，实验结束。

利用芯片74HC573锁存功能实现对继电器的选择，74HC573是是一种高性能硅门CMOS器件，工作电压为2～6 V，D0～D7为信号输入端口，Q0～Q7为输出端，11引脚 LE为锁存控制端，当其为高电平时，Q输出将随数据（D）输入而变。当其为低电平时，输出将锁存在已建立的数据电平上。引脚Q0与Q1分别接RL1与RL2，输入端D0与D1连接单片机的P1.0与P1.1。通过软件实现对继电器的控制。

图2 继电器驱动电路Fig.2 Relay drive circuit

图3 温度传感器Fig.3 Temperature sensor

2.3 温度传感器

温度传感器DS18B20具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点，且仅需要一条口线即可实现单片机与DS18B20的双向通讯。本实验中将温度传感器的DQ引脚与单片机的P2.1端口相连接实现数字的输入输出。

2.4 STC89C52和A/D接口电路

此电路为整个超级电容电池检测系统的核心控制，主要包括单片机STC89C52，模数转换芯片AD7705，CSM300B霍尔电流传感器，CHV-25P/400电压传感器，AD7705为完整16位、低成本、Σ-Δ型ADC，适合直流和低频交流测量应用。其具有低功耗（3 V时最大值为1 mW）特性，应用于低频测量的2/3通道的模拟前端，该器件可以接受直接来自传感器的低电平的输入信号，然后产生串行的数字输出。AD7705有两个模拟输入对，即 AIN1（+），AIN1（-）和 AIN2（+），AIN2（-），在此使用 AIN1（+）和 AIN1（-）接电流传感器，AIN2（+）和AIN2（-）接电压传感器，将传感器采集到的模拟信号转换为数字信号通过引脚输入单片机，再经过串口通信显示在计算机上。

图4 A/D芯片与单片机连接Fig.4 Connection of A/D chip and single chip microcomputer

图5 软件流程图Fig.5 Software flow pattern

3 软件设计

图5为这个系统的软件流程图，由此软件功能测试出电池的放电时间与放电电流，积分后得出电池的实际容量。

打开测试软件后，输入设定参数，电压、电流。时间等，对电池进行预处理，放完电池内原有电量。对电池进行充电，通过A/D转换芯片、单片机与电脑保持实时通信，此过程中电池由于恒流充电和恒压充电，电量增加，温度会升高，温度传感器将电池表面温度显示于计算机，若超过设定温度，单片机通过芯片驱动继电器停止充电，正常充电后，保存充电数据于计算机的软件中，继电器RL1断开，RL2闭合，电池与电子负载连接进入放电模式，电池以恒定电流对负载放电，直到电压低于10.5 V时，继电器断开，放电过程结束，存储放电数据，且直接在测试软件上生成放电曲线，将放电电流与放电时间积分，即可得到电池的实际容量。

图6 实际容量测试放电曲线Fig.6 The actual capacity test discharge curve

4 测试结果

实验采用一个额定容量为10 Ah、额定电压为12 V、质量为4.330 kg的超级电容电池。将电池完全充电后，在恒温环境中静置至表面温度为（25±2）℃，用电子负载以I=5 A电流进行放电至电池端电压达10.50 V，记录放电时间，得出放电容量为12.10 Ah，图6为电池常温放电曲线。

进行低温测试实验时，将电池完全充电后在（-30±1）℃环境中保持6小时，用电子负载以I=5 A电流进行放电至电池端电压达10.50 V，记录放电时间得出低温容量为6.12 Ah，放电曲线如图7所示。

图7 低温特性测试放电曲线Fig.7 The low temperature characteristic testing discharge curve

进行高倍率放电能力测试时，将电池完全充电后在（25±2）℃环境中保持4小时，用电子负载分别以10 A、15 A、20 A电流进行放电至电池端电压达10.50 V，记录电池放电时间和实际容量，如表1所示。

表1 高倍率放电能力测试结果Tab.1 High discharge capacity test results

5 结束语

文中提出一种用于超级电容电池容量测试的单片机充放电控制系统，在规定温度条件下，通过放电电流与时间的积分得出电池的实际容量，系统稳定可靠，安全系数高，对电池的检测系统及方法有重要意义。

[1]夏桂书.基于51单片机的新型蓄电池容量检测仪[J].中国测试，2013，39（5）:68-71.XIA Gui-shu.New type of battery capacity detector based on 51 single chip microcomputer[J].China Measure&Test，2013，39（5）:68-71.

[2]易映萍，王国志，姚为正.电力系统中蓄电池放电技术的探讨[J].湖南工程学院学报，2006，16（1）:1-4.YI Ying-ping，WANG Guo-zhi，YAO Wei-zheng.Discussion of the battery discharge technology in power system[J].Journal of Hunan College of Engineering，2006，16（1）:1-4.

[3]任国喜，杨承志.超级电容电池直流电源研究[J].科学技术与工程，2013，13（19）：43-48.REN Guo-xi，YANG Cheng-zhi.Power research of super capacitor battery，2013，13（19）:43-48

[4]周向阳，娄世菊，杨娟，等.超级电容电池用炭类负极材料的研究进展[J].材料导报，2010（13）:6-9.ZHOU Xiang-yang，LOU Shi-ju，YANG Juan，et al.Recent developments in research on carbon as anode material electrode in super lithium ion capacitor[J].Materials Review，2010（13）:6-9.

[5]张伟民，郭超，姚雷波.超级电容充放电实验系统的研究与实现[J].化工自动化及仪表，2010，37（9）:53-56.ZHANG Wei-min，GUO Chao，YAO Lei-bo.Research and implementation of charge-discharge experiment system of super capacitors[J].Control and Instruments in Chemical Industry，2010，37（9）:53-56

[6]石世前，黄仙，白恺，等.电力储能用锂电池容量测试标准研究[C]//2013年中国电机工程学会年会论文集，2013.

[7]王震，杨东超，伊强.基于单片机的车载超级电容测试系统设计与实现[J].电子技术应用，2006（9）:51-54.WANG Zhen，YANG Dong-chao，YIN Qiang.Design and implementation of test system for vehicle supercapacitor based on microcontroller[J].Application of Electronic Techniques，2006（9）:51-54.