虚拟仪器技术在超级电容电池测试中的应用

作者/ 程中军 南充市计量测试研究所(四川 南充 637300)

摘要：针对具有超级电容的电池或电池组测试需要，专门设计了基于虚拟仪器的测试平台，通过该平台可以对具有超级电容的电池、电池组进行充放电测试，并实时给出其电压、电流、功率、容量、电池效率等多项参数。实验结果表明，测试平台安全可靠，测试精准，自动化水平高。

引言

近年来，新能源领域得到了空前发展。以电动汽车为代表的新能源汽车正被大面积推广。新型动力电池是电动汽车的技术关键。铅酸电池的大量使用容易造成环境的铅污染^[1]，而锂电池的大电流放电能力不足，超级电容电池是近年来兴起的一种新型电池。相比铅酸电池和锂电池，超级电容电池具有充电速度快、循环寿命长、容量大及对环境无污染等优点，因而得到越来越广泛的应用^[2]。超级电容电池伏安特性及其容量重要参数，产品出厂需要进行大量测试。专业的电池测试管理系统费用十分昂贵，因此，本文针对实验室动力型超级电容电池的测试需要，在现有程控直流电源和电子负载的基础上，采用虚拟仪器技术，在LabVIEW环境下搭建电池的软件测试平台，实现对电池测试的控制、数据采集和分析功能。

1 超级电容电池工作原理

超级电容电池原理上结合了超级电容器和锂离子电池的优点^[3]。超级电容器主要是利用了多孔电极材料的高比表面积的特点，通过电解液离子极化形成的双电层完成储能^[4]。超级电容器在工作时，由于多孔材料做成的电极浸在电解溶液中，中间加有隔膜。当充电时，带正电的电极大量吸附阴离子，而带负电的电极吸附阳离子。但是电荷并不会通过电极表面转移，而是在电极和电解液之间重新排列富集，从而产生了位移电流。于是能量就通过富集于电极表面而存储^[5]。这种结构的电池具有功率密度高、循环寿命长和低温性能好的优点。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。电池工作过程中，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。电荷就随着电解液和电极之间的电化学反应而转移^[6]。这种原理电池具有安全性好、能量密度高和自放电低的优点[5]。超级电容电池的一个电极采用双电容储能机制，另一个电极采用电化学储能机制^[3]。因而具备了两者的共同优点，尤其是高比功率、高比能量和高放电电压以及长循环寿命的特点^[9]。

2 虚拟仪器介绍

虚拟仪器(Virtual Instruments,VI)是一种以计算机为载体的自动化测量与控制系统，用来实现对现实世界的各种物理量进行测量或对物理过程进行控制^[7]。NI公司为虚拟仪器设计的软件环境是LabVIEW，是目前最常用的虚拟仪器开发平台。LabVIEW编程环境主要包括前面板和后面板。其中前面板放置的是人机交互的控件，完成计算机输入设置、参数和图像显示，后面板完成程序的编写。LabVIEW与传统的编程软件相比，采用的是非常直观易懂的图形语言，即G语言。不需要繁琐的代码编写，只需把相关函数或者功能模块的输入输出端子相应连接起来即可，大大降低了编程难度。LabVIEW开发环境自带多种通信接口，包括RS232、USB、GPIB等，能够非常便捷地与多种设备仪器进行通信。LabVIEW编程环境提供直接调用MATLAB的接口，能够借助MATLAB处理复杂的数据运算。

3 超级电容电池测试平台设计

3.1 平台整体结构

本文设计的超级电容电池测试平台主要组成部分包括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控制部分。电源、负载以及电路控制部分是平台的执行机构，受到上位机虚拟仪器的控制，与上位机之间采用RS232C协议通信。平台整体结构如图1所示。电路控制需要一个能和上位机通信的处理器，接收上位机发出的电路开闭指令，并驱动电路中的接触器断开或闭合。为了今后能够对测试平台进一步改进，如进行测试中的超级电容电池电压均衡控制或者其他更多参数实时测量等，下位机特为此预留出多个I/O口。

3.2 前面板设计

软件的前面板是人机交互接口，前面板主要放置的是软件需要的输入输出控件。根据钒电池测试的具体要求，程序的前面板应该包括如下功能：输入主要是电池充放电的参数，包括设备选择、充放电方式选择、参数大小、充放电截止参数/时间以及充放电启动/停止/数据保存和电路开闭的开关和文件命名输入等。输出主要是软件的显示控件，包括电池充放电曲线、实时电流电压、当前累计充放电容量和测试时间。前面板不涉及到编程问题，一个良好的前面板设计，主要应该考虑各控件的位置，保证整齐、美观。图2为本文设计的超级电容电池测试开放平台前面板图。

3.3 后面板程序设计

软件后面板完成前面板中数据的传递，向硬件系统发出指令，接收数据处理等环节的任务。后面板的设计采用了模块化的程序编程思想，先将系统需要实现的各个功能模块编写为可以在顶层程序中直接调用的子vi。本文着重介绍以下几个重要模块的编写。

3.3.1 串口通信模块设计

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，需要借助LabVIEW提供的VISA库完成。VISA(Virtual Instruments Software Achitecture)虚拟仪器体系结构是VXI——即插即用联盟规定的标准I/O接口软件，是目前仪器设备接口类型功能函数的超集^[10]。LabVIEW环境自带VISA的API函数，支持串口的读写、开闭及配置等操作。因此通过VISA可以实现任何类型的串口通信应用。如图3为通信串口的配置和读写程序^[11-12]。程序首先配置串口通信参数为9600波特率，8位数据，零校验和1位停止位。程序通过使用串口字节数属性以读取所有接收到的数据。

3.3.2 电源和负载控制及数据采集^[13]

本文程控直流电源和电子负载使用台湾艾德克斯的大功率产品，作为程控设备采用的指令是SCPI指令。SCPI指令是一种用于可编程仪器的标准指令集，SCPI指令包括IEEE.2标准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，主要包括设置充放电参数、测量电压电流及启动与停止指令。其指令格式为：<关键字>：参数。电源提供的充电方式包括恒压充电和恒流充电模式，电子负载还提供恒功率和固定电阻放电模式。因为充电时需要考虑在测试容量时有恒流转恒压的充电过程，因此需要设置充电电流和充电电压。放电过程则只需要选择某种特定的方式即可，不同方式对应于不同的SCPI指令，因此，在编写这个部分时采用枚举变量选择case结构进行设置。

对于数据采集，主要是通过直流电源和电子负载远端测量端子和输出/入端构成的负反馈回路，测量得到精确的电池端电压及输入/出电流大小，并以ASCII码形式上传到上位机进行处理。设备上传数据需要得到上位机程序的指令才能进行。这里需要用到两条指令，即“MEAS:CURR ”和“MEAS:VOLT ”。平台设置的采集时间间隔为1秒。这一部分放在主程序循环之中。测量电压的程序图如图5所示。

平台提供了数据的保存功能，由于LabVIEW提供有对excel电子表格的读写接口，本文将测量的原始数据和计算处理的数据统一保存在excel里^[14-15]。Excel表头包括序号、时间、电压、电流、功率、安时容量和瓦时容量等栏目。其中的累计容量计算采用电流对时间积分求得^[1]，瓦时容量通过功率对时间的积分计算。

4 实验验证

利用此测试平台，可以针对超级电容电池进行一系列基于充放电的测试实验，如超级电容电池的容量测试、效率分析。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试实验为例对测试平台进行验证。根据超级电容电池组的测试标准^[1]，电池容量测试方法是先将电池充满电，静置到温度稳定在25±2℃后，进行恒流放电，计算放电的安时容量。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，转为恒压充电模式，待电流下降低于0.3A时，认为电池已完全充满。放电过程采用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为实验的充放电曲线。电池放出的容量小于35Ah，这是因为，当电压下降到42V后，还能继续放电。但此时，从图中可以看出，电压和功率正在迅速降低，设定42V的截止电压是因为电池在实际工作中保持适度的放电深度对电池是有好处的。另外，在这个充放电过程中随机选择多点，采用电压表测量电池组端电压，使用福禄克的电流钳测量电路中的电流，均与直流电源、电子负载显示以及上传的数据吻合。因此，实验证明该平台在超级电容电池测试应用中是可靠的。

5 结束语

本文针对超级电容电池的测试需求，利用实验室的程控直流电源和电子负载，提出了一种基于虚拟仪器的电池测试平台设计，设计了友好的人机交互界面，完成了各项功能设计。该平台能够实时采集电池测试过程参数，具备保存数据，绘制电流电压曲线，计算容量等多项功能。实验证明，使用该平台对超级电容电池进行测试是安全可靠的。

参考文献：

[1]牛红涛,彭建华,杨春生,等.动力型超级电容电池容量测试标准与装置研究[J].科学技术与工程,2014,14(34):190-193.

[2]李明兴,牛红涛,张俊杰.超级电容电池组容量测试监控系统研究[J].电子设计工程,2015,23(23):88-91.

[3]廖川平.超级电容电池[J].化学通报,2014,77(9):865-871.

[4]阮殿波,王成扬,聂家发.动力型超级电容器应用研发[J].电力机车与城轨车辆,2012,35(5):16-20.

[5]马婷婷.超级电容电池正极材料与负极材料的研究[D].长沙:中南大学,2011.

[6]Nagaura T,Tozawa K.Lithium Ion Rechargeable Battery[J].Prog.Bat.Sol.Cell,1990,(9):209-217.

[7]肖成勇,雷振山,魏丽.LabVIEW 2010基础教程[M].北京:中国铁道出版社,2012.

[8]史志辉,林君,周逢道.基于虚拟仪器的高准确度同步采集系统[J].中国测试,2016,42(2):67-70.

[9]楼海星,姚维.超级电容在电动汽车电池能量回馈中的应用[J].轻工机械,2013,31(6):54-58.

[10]琴凡,韦高.基于VISA库及SCPI命令的仪器程控测量[J].现代电子技术,2011,34(11):118-120,123.

[11]林科业.基于LabVIEW平台的信号采集计算器[J].电子技术,2016(3):35-37,27.

[12]申彩英,李兴全,王奇,等.电动汽车电池管理系统上位机设计[J].现代车用动,2016(1):42-45.

[13]赵立军.基于VISA接口的可编程电源输出控制程序[J].计量与测试技术.2015,42(12):1-2.

[14]熊舸,刘娴,张煜,等.基于LabVIEW的实时串口数据采集及Excel报表生成技术[J].2014,35(3):28-32.

[15]王树东,何明.基于LabVIEW高速采集系统方法的研究[J].电子测量技术,2014,37(7):84-87.

本文来源于中国科技核心期刊《电子产品世界》2016年第10期第76页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。