作者/ 程中军 南充市计量测验研讨所(四川 南充 637300)
摘要：针对具有超级电容的电池或电池组测验需求，专门规划了依据虚拟仪器的测验渠道，经过该渠道可以对具有超级电容的电池、电池组进行充放电测验，并实时给出其电压、电流、功率、容量、电池功率等多项参数。试验结果表明，测验渠道安全牢靠，测验精准，自动化水平高。
导言
近年来，新能源范畴得到了空前开展。以电动轿车为代表的新能源轿车正被大面积推行。新式动力电池是电动轿车的技能要害。铅酸电池的很多运用简单构成环境的铅污染[1]，而锂电池的大电流放电才干缺乏，超级电容电池是近年来鼓起的一种新式电池。比较铅酸电池和锂电池，超级电容电池具有充电速度快、循环寿数长、容量大及对环境无污染等长处，因而得到越来越广泛的运用[2]。超级电容电池伏安特性及其容量重要参数，产品出厂需求进行很多测验。专业的电池测验办理体系费用十分贵重，因而，本文针对试验室动力型超级电容电池的测验需求，在现有程控直流电源和电子负载的基础上，选用虚拟仪器技能，在LabVIEW环境下建立电池的软件测验渠道，完结对电池测验的操控、数据收集和剖析功用。
1 超级电容电池作业原理
超级电容电池原理上结合了超级电容器和锂离子电池的长处[3]。超级电容器首要是运用了多孔电极资料的高比外表积的特色，经过电解液离子极化构成的双电层完结储能[4]。超级电容器在作业时，由于多孔资料做成的电极浸在电解溶液中，中心加有隔阂。当充电时，带正电的电极很多吸附阴离子，而带负电的电极吸附阳离子。可是电荷并不会经过电极外表搬运，而是在电极和电解液之间重新排列富集，然后产生了位移电流。所以能量就经过富集于电极外表而存储[5]。这种结构的电池具有功率密度高、循环寿数长和低温性能好的长处。而锂离子电池是一种典型的电化学电池，其正负电极中嵌有不同的锂离子化合物。电池作业进程中，不断有锂离子从一端电极中脱离，经过电解液，又嵌入到另一端电极中。电荷就跟着电解液和电极之间的电化学反响而搬运[6]。这种原理电池具有安全性好、能量密度高和自放电低的长处[5]。超级电容电池的一个电极选用双电容储能机制，另一个电极选用电化学储能机制[3]。因而具有了两者的一起长处，尤其是高比功率、高比能量和高放电电压以及长循环寿数的特色[9]。
2 虚拟仪器介绍
虚拟仪器(Virtual Instruments,VI)是一种以核算机为载体的自动化丈量与操控体系，用来完结对实践国际的各种物理量进行丈量或对物理进程进行操控[7]。NI公司为虚拟仪器规划的软件环境是LabVIEW，是现在最常用的虚拟仪器开发渠道。LabVIEW编程环境首要包含前面板和后面板。其间前面板放置的是人机交互的控件，完结核算机输入设置、参数和图画显现，后面板完结程序的编写。LabVIEW与传统的编程软件比较，选用的是十分直观易懂的图形言语，即G言语。不需求繁琐的代码编写，只需把相关函数或许功用模块的输入输出端子相应连接起来即可，大大下降了编程难度。LabVIEW开发环境自带多种通讯接口，包含RS232、USB、GPIB等，可以十分快捷地与多种设备仪器进行通讯。LabVIEW编程环境供给直接调用MATLAB的接口，可以凭借MATLAB处理杂乱的数据运算。
3 超级电容电池测验渠道规划
3.1 渠道全体结构
本文规划的超级电容电池测验渠道首要组成部分包含上位机的虚拟仪器部分、程控直流电源、电子负载以及充放电电路操控部分。电源、负载以及电路操控部分是渠道的执行机构，遭到上位机虚拟仪器的操控，与上位机之间选用RS232C协议通讯。渠道全体结构如图1所示。电路操控需求一个能和上位机通讯的处理器，接纳上位机宣布的电路开闭指令，并驱动电路中的接触器断开或闭合。为了往后可以对测验渠道进一步改善，如进行测验中的超级电容电池电压均衡操控或许其他更多参数实时丈量等，下位机特为此预留出多个I/O口。
3.2 前面板规划
软件的前面板是人机交互接口，前面板首要放置的是软件需求的输入输出控件。依据钒电池测验的具体要求，程序的前面板应该包含如下功用：输入首要是电池充放电的参数，包含设备挑选、充放电办法挑选、参数巨细、充放电截止参数/时刻以及充放电发动/中止/数据保存和电路开闭的开关和文件命名输入等。输出首要是软件的显现控件，包含电池充放电曲线、实时电流电压、当时累计充放电容量和测验时刻。前面板不触及到编程问题，一个杰出的前面板规划，首要应该考虑各控件的方位，确保规整、漂亮。图2为本文规划的超级电容电池测验敞开渠道前面板图。
3.3 后面板程序规划
软件后面板完结前面板中数据的传递，向硬件体系宣布指令，接纳数据处理等环节的使命。后面板的规划选用了模块化的程序编程思维，先将体系需求完结的各个功用模块编写为可以在顶层程序中直接调用的子vi。本文侧重介绍以下几个重要模块的编写。
3.3.1 串口通讯模块规划
如前所述，本文中所触及的通讯全部是RS232通讯。在LabVIEW中运用串口通讯，需求凭借LabVIEW供给的VISA库完结。VISA(Virtual Instruments Software Achitecture)虚拟仪器体系结构是VXI——即插即用联盟规则的规范I/O接口软件，是现在仪器设备接口类型功用函数的超集[10]。LabVIEW环境自带VISA的API函数，支撑串口的读写、开闭及装备等操作。因而经过VISA可以完结任何类型的串口通讯运用。如图3为通讯串口的装备和读写程序[11-12]。程序首要装备串口通讯参数为9600波特率，8位数据，零校验和1位中止位。程序经过运用串口字节数特点以读取一切接纳到的数据。
3.3.2 电源和负载操控及数据收集[13]
本文程控直流电源和电子负载运用台湾艾德克斯的大功率产品，作为程控设备选用的指令是SCPI指令。SCPI指令是一种用于可编程仪器的规范指令集，SCPI指令包含IEEE.2规范中的通用指令和设备特定指令。本文用到的是设备特定的指令，首要包含设置充放电参数、丈量电压电流及发动与中止指令。其指令格局为：<要害字>：参数。电源供给的充电办法包含恒压充电和恒流充电形式，电子负载还供给恒功率和固定电阻放电形式。由于充电时需求考虑在测验容量时有恒流通恒压的充电进程，因而需求设置充电电流和充电电压。放电进程则只需求挑选某种特定的办法即可，不同办法对应于不同的SCPI指令，因而，在编写这个部分时选用枚举变量挑选case结构进行设置。
关于数据收集，首要是经过直流电源和电子负载远端丈量端子和输出/入端构成的负反馈回路，丈量得到准确的电池端电压及输入/出电流巨细，并以ASCII码形式上传到上位机进行处理。设备上传数据需求得到上位机程序的指令才干进行。这儿需求用到两条指令，即“MEAS:CURR?”和“MEAS:VOLT?”。渠道设置的收集时刻距离为1秒。这一部分放在主程序循环之中。丈量电压的程序图如图5所示。
渠道供给了数据的保存功用，由于LabVIEW供给有对excel电子表格的读写接口，本文将丈量的原始数据和核算处理的数据一致保存在excel里[14-15]。Excel表头包含序号、时刻、电压、电流、功率、安时容量和瓦时容量等栏目。其间的累计容量核算选用电流对时刻积分求得[1]，瓦时容量经过功率对时刻的积分核算。
4 试验验证
运用此测验渠道，可以针对超级电容电池进行一系列依据充放电的测验试验，如超级电容电池的容量测验、功率剖析。本文以对四个标称为35Ah的电池组成的串联电池组的容量测验试验为例对测验渠道进行验证。依据超级电容电池组的测验规范[1]，电池容量测验办法是先将电池充溢电，静置到温度稳定在25±2℃后，进行恒流放电，核算放电的安时容量。此处电池组设定恒流充电电流17.5A，待电池充电到电池组端电压上升到60V时，转为恒压充电形式，待电流下下降于0.3A时，以为电池已彻底充溢。放电进程选用17.5A电流恒流放电，电压截止电压设定为42V，得到放电容量值为32.4Ah。图6为试验的充放电曲线。电池放出的容量小于35Ah，这是由于，当电压下降到42V后，还能持续放电。但此刻，从图中可以看出，电压和功率正在敏捷下降，设定42V的截止电压是由于电池在实践作业中坚持适度的放电深度对电池是有优点的。别的，在这个充放电进程中随机挑选多点，选用电压表丈量电池组端电压，运用福禄克的电流钳丈量电路中的电流，均与直流电源、电子负载显现以及上传的数据符合。因而，试验证明该渠道在超级电容电池测验运用中是牢靠的。
5 结束语
本文针对超级电容电池的测验需求，运用试验室的程控直流电源和电子负载，提出了一种依据虚拟仪器的电池测验渠道规划，规划了友爱的人机交互界面，完结了各项功用规划。该渠道可以实时收集电池测验进程参数，具有保存数据，制作电流电压曲线，核算容量等多项功用。试验证明，运用该渠道对超级电容电池进行测验是安全牢靠的。
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本文来源于我国科技期刊《电子产品国际》2016年第10期第76页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
