（电机与电器专业论文）基于单片机控制的恒流测试系统.pdf

基于单片机控制的恒流测试系统 b a s e do nm c u - c o n t r o l l e dc o n s t a n t - - c u r r e n tt e s ts y s t e m a b s t r a c t s u p e r - c a p a c i t o rw a s an e wt y p eo fs t o r a g ed e v i c e ，w h i c hh a sh i g h e re n e r g yd e n s i t ya n d s p e c i f i cc a p a c i t a n c et h a nt h ec o n v e n t i o n a lc a p a c i t o r s ，a n dh i g h e rp e c i f i cp o w e rt h a nt h e b a t t e r y ，s oi tw a san e wt y p eo fc o m p o n e n tw i t hac o m b i n a t i o no ft h eg o o dc h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r o s t a t i cc a p a c i t a n c ea n db a t t e r y i tc a np r o v i du l t r a h i l g he n e r g ya n dc a nb er e l e a s e di na v e r ys h o r tp e r i o do ft i m e ，av e r yl o n gl i f e ，e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y ，s oh a sa w i d er a n g eo f a p p l i c a t i o np r o s p e c ti n a r e as u c ha sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ，p u l s ep o w e rs y s t e m sa n d e m e r g e n c yp o w e rs u p p l y t h e r e f o r e ，s u p e r c a p a c i t o r sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tb e c o m ea h o ts p o t i nm a n yt e s t i n gm e t h o d sf o rs u p e r c a p a c i t o rr e s e a r c h ，t h ec o n s t a n tc u r r e n t c h a r g e d i s c h a r g ec y c l et e s t i n gi sam o r ei n t u i t i v ea n da c c u r a t et e s t i n gm e t h o d ，b u ta l s ot h e m a i n t e s t i n gm e t h o d s t h r o u g hc h a r g e d i s c h a r g et e s t i n g w i t hac o n s t a n tc u r r e n to f s u p e r - c a p a c i t o r t o s t u d y t h el a wo fv o l t a g ec h a n g i n go v e rt i m e ，t h e c a p a c i t y o f s u p e r - c a p a c i t o ra td i f f e r e n tc u r r e n t ，t h ee q u i v a l e n ts e r i e sr e s i s t a n c e ，a n da l s oo t h e rp a r a m e t e r s c a nb eo b t a i n e d ，i no r d e rt os a t i s f yt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fs u p e r c a p a c i t o rr e q u i r e m e n t s ，i t n e e dt od e s i g nac o n s t a n tc u r r e n ts o u r c ew h i c hc a nb eu s e df o rh i g hc u r r e n tc h a r g e - d i s c h a r g e c y c l et e s to fs u p e r c a p a c i t o r i nt h i sp a p e r ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，t e s t i n gm e t h o d sa n da p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fs u p e r - c a p a c i t o r sw e r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d ，t h ec u r r e n tt e s t i n gm e t h o dw a sd e t e r m i n e da n da c o n s t a n tc u r r e n tt e s t s y s t e mb a s e do np i cs i n g l e - - c h i pt w a sd e s i g n e d t oc a r r yo u tt h e c h a r g e - d i s c h a r g et e s to fs u p e r c a p a c i t o r t h ed e s i g nt h o u g h to ft h es y s t e mw a st h a t t h e s u p e r - c a p a c i t o r sw e r e 。c h a r g e db yt h ec o n s t a n tc u r r e n ts u p p l y ，a n dt h e nw e r ed i s c h a r g e db y t h ee l e c t r o n i cl o a do fc o n s t a n t - c u r r e n tm o d e ，a n dt h ea u t o m a t i cc o n v e r s i o nb e t w e e nc h a r g e f u n c t i o na n dd i s c h a r g ef u n c t i o nw a sc o n t r o l l e db yr e l a y t h et e s ts y s t e mc a ns e ta n dc o l l e c t t h eo u t p u tc u r r e n ta n do u t p u tv o l t a g eo ft h em a i nc i r c u i tb yt h ep i c l 6 f 8 7 7 am i c r o c o n t r o l l e r ， a n di na c c o r d a n c ew i t ht h ec u r r e n td a t ag o t t e nf r o mt h es a m p l i n gc i r c u i t ，a d j u s tt h eo u t p u t c u r r e n tb yp i da l g o r i t h m ，a n dt h e r e b ye n h a n c et h ec o n t r o l l i n gp r e c i s i o no ft h eo u t p u to ft h e c o n s t a n tc u r r e n t a tt h es a m et i m e ，i td e t e r m i n e st h es u p e 卜c a p a c i t o rc h a r g e - d i s c h a r g es t a t e a c c o r d i n gt ov o l t a g ei n f o r m a t i o n ! i nt h ed e s i g no ft h ec o n s t a n tc u r r e n tc i r c u i t ，t h ew o r k i n g p r i n c i p l eo ft h ec o n s t a n tc u r r e n ts o u r c ea n dt h ee l e c t r o n i cl o a dw e r ea n a l y z e d ，a n dc o m b i n e s w i t ht h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h ec o n s t a n tc u r r e n tc i r c u i t ，u s i n go p e r a t i o n a la m p l i f i e rt o c o n t r o lt h es w i t c h i n go fp o w e r , a n dt oa c h i e v et h ec o n s t a n tc u r r e n tf u n c t i o n m o r e o v e r ，t h e d e s i g nc a nc o n t r o lt ou s ec o n s t a n tc u r r e n ts o u r c eo ra td i f f e r e n tt i m eb yr e l a y i na d d i t i o n ，t h e 大连理工大学硕士学位论文 s y s t e mu s e sam o d u l a rd e s i g n t h ec o n s t a n t - c u r r e n tc i r c u i ta n dp o w e rs u p p l yc i r c u i tw e r e r e s p e c t i v e l yd e s i g n e df o rr e p l a c i n gt h ed i f f e r e n tp o w e rs u p p l y c i r c u i ta c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n tc u r r e n to u t p u t s t h ep o w e rc i r c u i tw a sat y p i c a lt w i n - t u b ef o r w a r dt o p o l o g y ，i t s c o n t r o lc h i pw a st h et l 4 9 4p u l s ew i d t hm o d u l a t i o nc o n t r o l l e r ，i na c c o r d a n c ew i t hf e e d b a c k l o o ph a sb e e ns a m p l i n gt h eo u t p u tv o l t a g e ，c h a n g e sp u l s ew i d t h ，a n dt h e r e f o r ea d j u s t st h e w i d t ho fa d j u s t m e n ts w i t c ho n - t i m e ，a n df i n a l l ys t e a d i e st h eo u t p u tv o l t a g e i nt h ed e s i g no f s o f t w a r e ，t h ea u t h o ru s e st h em o d u l a rd e s i g n ，e d i t ss u b p r o g r a mm o d u l ef o rb e i n ge a s yt ot h e m a i np r o g r a mt ob ec a l l e d ，b u ta l s oe a s yt ob ea m e n d e d ，a n dt om a k et h em a i np r o g r a m s i m p l e i nt h i sp a p e r ，ac o n s t a n tc u r r e n tt e s ts y s t e mb a s e do np i cs i n g l e c h i pw a sd e s i g n e dt o c a r r yo u tt h ec h a r g e d i s c h a r g et e s to fs u p e r - c a p a c i t o r t h er e s u l t st h a tc a m ef r o mt h es o f ta n d h a r dt e s ts h o wt h a t ，i nt h ec u r r e n ts c o p eo f5 ao ft h ed e s i g n ，t h es y s t e mc a no b t a i n sag o o d c u l t e n tc b a r a c t e r i s t i c k e y w o r d ：c o n s t a n t c u r r e n ts u p p l y ；s i n g l e c h i p ；s w i t c hp o w e rs u p p l y ；s u p e r - c a p a c i t o r 1 1 1 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：蛰里蛊叠遂麴鱼! f 亘噩坠塑蔓童苤玺兰态 作者签名： 盘主筵 日期：二4 年_ 乙月三乒日 大连理工大学硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：生王望生盘虬蔓巡自篁l ! 互疱测邀象兰盂。 作者签名：一篮亡簦 日期：j 翌生年月三l 日 导师签名：聿铗j l日期：蛆年厶月j 丑日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 超级电容器 1 1 1 超级电容器概念及特点 超级电容器是近年来发展起来的一种新型电力储能器件，它像静电电容一样具有很 高的放电功率，又像蓄电池一样具有很大的电荷储存能力，使得这两种元件之问找到一 个最佳的结合剧1 1 。由于其放电特性与静电电容器更为接近，所以仍称为“电容 。目 前名称尚不统一，有超级电容器( s u p e rc a p a c i t o r ) 、超电容器( u l t r ac a p a c i t o r ) 、电化 学电容器( e l e c t r o c h e m i c a lc a p a c i t o r ) 、超大容量电容器及双电荷层电容器( e l e c t r i cd o u b l e l a y e rc a p a c i t o r ，e d l c ) 或双电层电容器( d o u b l el a y e rc a p a c i t o r ，d l c ) 等名称。从 事超级电容器研究的权威人士b ec o n w a y 曾将这种介于蓄电池和静电电容器之间的装 置称为电化学超级电容器。根据构成不同，可以将超级电容器分为两类【2 】【4 】： ( 1 ) 双电层电容 双电层电容是基于高比表面碳材料与溶液间界面双电层原理的电容器，它可以用 h e l m h o l t z 的双电层模型来说明。该模型认为电极表面的静电荷从溶液中吸附部分不规 则分配的离子，它们在电极溶液界面的溶液一侧离电极一定距离排成一排，形成一个电 荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层【5 1 ，如图1 1 所示。由于界面 上存在位垒，两层电荷都不能越过边界彼此中和，这样充电界面由两个电荷层组成，一 层在电极上，另一层在溶液中，因此称为双电层，这是一种静电型能量储存方式，电容 器总电容为正负两极电容串联的结果。 蝌扑计柞 _ 无辫加电源电压 b 有外加电i l l i e , l r l i 图1 1 超级电容器内部结构示意图 f i g 1 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo fs u p e r - c a p a c i t o r 基于单片机控制的恒流测试系统 ( 2 ) 法拉第准电容 法拉第准电容的电极中包含二维( 如h 或一些金属p b 、b i 、c u ) 或准二维( 如多 孔过渡金属氧化物r u 0 2 、i r 0 2 ) 材料，在充放电过程中，电极表面发生电沉积或氧化还 原过程。这种电容的储能方式不再是单纯的物理储能，而是与电池一样发生了法拉第电 荷传递的电化学变化过程。但是其充放电仍具有电容特性：两极电位与电极上施加或 释放的电荷几乎呈线性关系；如果该系统电压随时间呈线性变化d v d t = k ，则产生恒 定或几乎恒定的电流i = c d v d t = c k ，因此也叫电化学电容。 法拉第准电容不仅发生在电极表面，而且可深入电极内部，因而可获得比双电层电 容更高的比容量和能量密度，因此，在相同电极面积下，法拉第准电容可以是双电层电 容量的1 0 1 0 0 倍【6 1 。 超级电容器是介于静电电容器和化学电源之间的一种新型储能元件，因此它具有传 统储能元件不具备的优点【7 - 9 】： 具有超高的电容量，容值范围一般在o 1 f 一1 0 0 0 0 f ，与同体积的电解电容器相比 较，容量要高出数千倍。 具有非常高的功率密度，其功率密度可为电池的1 0 1 0 0 倍，可达到1 0 k w k g 左右，可以在短时间内放出几百到几千安培的电流，这个特点使得电容器非常适合短时 间高功率输出的场合。 充电速度快，超级电容器充电是双电层放电的物理过程或电极物质表面的快速、 可逆的电化学过程，可采用大电流充电，可以在数秒至几分钟内达到其额定容量的9 5 。 并且电容的电压与电流互相不关联，也就是在任何电荷状态值处，超级电容器都可以以 满电流方式放电。 循环寿命长，在室温条件下，超级电容器深度充放电循环次数可达5 0 万次，或 可以工作9 0 0 0 0 小时。 充电效率高，超级电容器的等效串联内阻很小，一般只有几个m e ，在充放电 过程中的能量损耗小，因而具有很高的充放电效率，其充放电周期效率可以达到9 0 以 上。 高低温性能好，超级电容器在充放电过程中发生的电荷转移大部分都在电极活 性物质表面进行，故容量随温度衰减非常小，能够在4 0 。c + 7 0 。c 温度范围内j 下常工作。 控制简单，超级电容器的储能量与端电压之间具有确定的关系，即w ；c u2 2 。 因此储能量的控制可以通过简单的电压控制来实现。 大连理上入学硕士学位论文 对环境无污染，双电层超级电容器使用的材料安全、无毒、环保，电极材料主 要由碳组成，不会对环境带来污染。另外，超级电容器属于静止储能器件，没有转动的 机械部分，使用比较安全，不会带来噪声污染n 叫。 1 。1 2 超级电容器研究现状与应用 超级电容器作为一种新型的电力储能器件，其优越的性能特点决定了它具有广泛的 发展空间和应用前景，目前，针对超级电容器的研究和开发正成为热点。 超级电容器的研究源于美国g e 公司1 9 5 7 年b e c k e r 取得的第一篇双电层电容器专 利，它以碳材料为电极、硫酸水溶液做电解质，工作电压为1 v 。1 9 8 5 年日本n e c 公司 率先实现产业化，推出了百法级超级电容器产品，并于1 9 9 1 年研制出了1 0 0 0 f 5 5 v 、 储能约6 k j 的活性炭双电层电容器，单体器件的工作电压约为0 9 v ，6 个单体器件串联 组成一个5 5 v 电容器【1 1 j 。 此后，超级电容器技术快速发展，m a x w e l l 、e p c o s 、n e s s 等公司，都生产容 量从几法拉至数千法拉的超级电容器系列产品。国内的一些科研院所，如清华大学、哈 尔滨工程大学、有色金属总院、中科院电工所、中科院上海微系统与信息技术研究所和 大连理工大学等单位都开展了对超级电容器的材料、制造工艺、特殊应用等相关领域的 研究工作。其中大连理工大学研究的混合型超级电容器，使超级电容器在高电压、高功 率输出领域的应用有了更好的前剽1 2 l 。同时还出现了一些制造超级电容器的公司，如北 京集星、哈尔滨巨容新能源、锦州锦容等都开展了超级电容器的批量生产，并已在内燃 机的电子启动系统、高压开关设备、电子脉冲设备、电动汽车等领域得到了应用i ”】。目 前超级电容器的研究主要集中在两个方面：一方面制备性能稳定、价格低廉的新型电极 和电解液材料，以提高超级电容器的工作电压；另一方面通过将电力电子线路附加于超 级电容器，用以提高超级电容器的储能利用率，同时依靠功率变换器来扩大超级电容器 储能技术的应用范围，增强超级电容器储能系统的可靠性和稳定性。 超级电容器作为产品己趋于成熟，其应用范围也不断地扩展，在交通运输、信息通 讯、家用电器、仪器设备、工业生产、军事装备等领域均具有较好的应用前景。在交通 运输领域，超级电容器可以作为电动汽车的唯一动力源，或者与可充电蓄电池、燃料电 池、内燃机等混合使用，在短时间内存储能量，提供汽车在启动、加速、爬坡等过程中 所需的峰值功率，并且可回收刹车时得到的能量使之再次用在车辆的加速和支持加速中 1 1 4 1 。在现代通讯领域，电池和超级电容器的混用可大大提高功率输出和延长电池寿命， 用于功率具有脉冲性的移动电子设备或仪器，如移动电话、高端照相机的闪光灯、笔记 本电脑、p d a 等。超级电容器具有低浮充电，简单充电，高峰值充电的功能及5 0 0 0 0 0 基于单片机控制的恒流测试系统 次循环寿命和十年不需要维护的特点使得它非常适合应用在u p s ( 不间断能量系统) 装 置中。在独立光伏发电、风力发电、燃料电池等分布式发电系统中，超级电容器可作为 电力储能装置，可以对系统起到瞬时功率补偿的作用，并可以在发电中断时作为备用电 源，以提高供电的稳定性和可靠性。在军事装备领域，采用超级电容器和蓄电池混合储 能，可以解决军用运输车、坦克、装甲车等车辆低温启动困难的问题，并提升车辆的动 力性和隐蔽性；也可以为雷达、通信及电子对抗系统等提供峰值功率，以减小主供电电 源的功率等级；在以脉动功率工作的新概念武器如电磁脉冲武器、激光武器和粒子束武 器等也广泛应用【1 5 】【1 6 】。 1 1 3 超级电容器工作原理及性能测试 ( 1 ) 超级电容器的工作原理 超级电容器是利用金属氧化物与活性炭分别作为正负极电极材料的电容器，其工作 机理主要是双电层原理和法拉第准电容原理，存储能量的多少一般表现为电容量的大 小。双电层电容原理是来自电解液的阴阳离子，分别积聚在两个固一液界面形成的电化 学双电层( h e l m h o l t z 层) ，充电时，在固体电极上电荷引力的作用下，电解液中阴阳 离子分别聚集在两个固体电极的表面；放电时，阴阳离子离开固体电极的表面，返回电 解液本体。通过正负离子在固体电极与电解液之间的表面上分别吸附，造成两固体电极 之间的电势差，从而实现能量的存储。这种储能原理允许大电流快速充放电，其容量大 小随所选电极材料的有效比表面积的增大而增大。法拉第准电容则是利用在电极表面及 其附近发生在一定电位范围内快速可逆的法拉第反应来实现能量的存储，电极材料采用 具有较大的比表面、多孔的氧化物，与电解液浸润的活性物质接触面积很大，充电时， 金属氧化物在电极表面和整个电极内部发生氧化反应，大量的电荷被存储在电极中，放 电时，金属氧化物发生还原反应使得这些进入氧化物中的离子又重新返回到电解液中， 同时所存储的电荷通过外电路而释放出来。超级电容器的大容量和高功率充放电就是由 这两种原理产生的，因此，制备高性能的超级电容器有两个途径：一是增大电极材料的 比表面积和提高电极的极化电位；二是提高电极材料的可逆法拉第反应的几率。 ( 2 ) 超级电容器的测试原理 超级电容器的等效电路模型如图1 2 所示，其中e s r ( e q u i v a l e n ts e r i e sr e s i s t a n c e ) 为等效串联内阻，影响超级电容器的放电能力。e p r ( e q u i v a l e n tp a r a l l e lr e s i s a n c e ) 为等 效并联内阻，一般比较大，决定着超级电容器的漏电流，影响电容的长期储能性能。c 0 表示超级电容器的电容量【1 8 】。 人连理丁大学硕十学位论文 广一飞一一一一一l g 为等效的电容罩 为等效串联电阻( e s r ) 为等效并联内阻( e p r ) l 一一一一一一i 图1 2 超级电容器等效模型电路图 f i g 1 2e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo fs u p e r - c a p a c i t o r 理想情况下，超级电容器可以等效为平板电容器，因此其电容量为：c ；芸，式 4 n a 中c 为电容，单位为f ；为介电常数；s 为电极板正对面积，等效双电层有效面积， 单位为m 2 ；d 表示电容器两极板之间的距离，等效双电层厚度，单位为m 。由此可知， 超级电容器的容量与双电层的有效面积成j 下比，与双电层厚度成反比。对于活性炭电极， 双电层有效面积与碳电极的比表面积及电极上的载碳量有关，双电层厚度则是受到溶液 中离子的影响。故电极制备好后，电解液确定，电容量就是一个定值。对其测试方法有 时间常数法( 循环伏安测试法) 与恒流充放电测试法【1 9 】。这里仅对恒流充放电测试法进 行简单的介绍。 时间常数法( 循环伏安测试法) 是在电容器上施加三角波电位，电位为控制信号， 电流为测量的响应信号，主要研究电流函数随时间或随电位变化的规律。对于理想的超 级电容器来说，当在电极上施加一个线性变化的电位信号时，利用公式坦。础和 c t q 妒，可得 f ：塑：c 生 ( 1 1 ) d td t 其中i 是电流，单位为a ；尥是电量的微分，单位为c ；d t 是时间的微分，单位为 s ；d 妒是电位的微分，单位为v 。所得的电流响应将是一个不变的量。 恒流充放电测试则是在电容器上施加恒定的电流，电流为控制信号，电位为测量的 响应信号，主要研究电位函数随时间或电流变化的规律。 根据( 1 1 ) 式可知，采用恒定电流进行充放电时，如果电容量c 为恒定值，那么d c p l d t 将会是一个常数，即电位随时间线性变化，求得其斜率，即可得 c 。二一 ( 1 2 ) d q 口d t 由此可计算出电容器的容量，即 o 。i ( t 2 - t , ) ( 1 3 ) 基于单片机控制的恒流测试系统 ( 1 3 ) 式中( f ：一t 1 ) 放电时间( s ) ，a v 放电时间内的平均电位( v ) ，可由放电曲 线进行积分求得 y 一志c 肋 ( 1 4 ) 也一f 1 ) j 而在实际计算超级电容器的电容量时，常采用和f ：时电压的差值来作为平均电压 降a v 。由于超级电容器存在一定得内阻，在充放电转换的瞬间会有一个电位的突变a v ， 可以根据a v 来计算电容器的等效串联内阻 r a v i ( 1 5 ) ( 1 5 ) 式中a v 突变的电压，单位为v ；i 充放电电流，单位为a ；r 等效串联内阻 ( e s r ) ，单位为q 。 通过恒流充放电试验可以测试超级电容器在不同电流下的容量、等效串联电阻等参 数。根据超级电容器的检测要求，本设计采用恒流充放电测试法，来研究超级电容器在 不同的充放电模式下的工作状况及参数变化。 1 2 恒流源概述 1 2 1 恒流源概念及现状 恒流源是一种稳定电源，它输出的电流与外接负载无关，其电源内阻无限大。而实 际的恒流源是用电子电路实现的，内阻不能无限大，故只有在外部条件在一定的范围内 变化时，才能保持输出电流基本不变。 恒流源的发展比较迅速，应用也比较广泛，其发展依据核心器件的发展大致可分为 三个阶段，分别是电真空器件恒流源，晶体管恒流源和集成电路恒流源。电真空器件恒 流源主要由镇流管构成，镇流管具有稳定电流的功能，多用于交流电路，常被用来稳定 电子管的灯丝电流，使用时将镇流管和负载串联，构成直接调整型恒流源。采用晶体管 做调整元件的晶体管恒流源在上世纪6 0 年代以后得到迅速发展，并在实际中获得了广 泛的应用，随着半导体集成技术的发展，集成电路恒流源提高了稳定性和可靠性，性能 更加优越i 删。 恒流源可分为直流恒流源和交流恒流源，目前对恒流源的研究在直流小电流、小功 率、高稳定度的技术已经成熟，而在大电流、大功率及高稳定度的交流恒流源的研制尚 处于探索阶段，随着电力半导体器件、电力变换技术及自动控制技术的发展，如何把数 字技术和智能化技术用于制作大电流、大功率及高稳定度的恒流源将成为新课题。 大连理t 大学硕士学位论文 1 2 2 恒流源构成及种类 实际的电流源多是电压控制电流源，是从属电源。其电路构成也是电压转换为电流， 一般有以下三种结构隆1 1 ： ( 1 ) 稳压源与电阻构成的电流源 用一个稳压源与一个电阻可以构成最简单的实用恒流源，如图1 3 所示。 _ _ - _ _ - - - _ _ - _ _ j 图1 3 稳压源与电阻构成恒流源 f i g 1 3 t h ev o l t a g es o u r c ea n dr e s i s t o rc o n s t i t u t et h ec u r r e n ts o u r c e 其中q 为电池或电子稳压器的输出电压。 值，则虚线框内电路可作为一个实际恒流源， 负载的电流为 若串联电阻r 的阻值远大于负载吃的阻 其中r 看做是该恒流源的内阻。可知通过 i offi熹一鲁(rrlr r ) ( 1 6 ) 冠+ -：”r 。 和r 。大小无关，因而由输入稳定电压以和串联电阻r 决定，在负载电阻两端看到 的是一个电流值为【，r 的恒流源。 在实际应用中，当要求恒流值较小、负载变动不大时，可用这种简单方法获得恒流 源。 ( 2 ) 恒流器件构成的恒流源 镇流管、半导体恒流管、电子管及晶体管等具有良好的恒流特性，可作为恒流器件 构成恒流源，用一个稳定的或非稳定直流电压源和恒流器件可构成如图1 4 所示的结构 简单、性能良好的恒流源。 基于单片机控制的恒流测试系统 图1 4 恒流二极管构成的恒流源 f i g 1 4 t h ec o n s t a n t - c u r r e n tl e dc o n s t i t u t et h ec u r r e n ts o u r c 2 该恒流源的输出电流等于恒流二极管的恒定电流值，即l ；，h ，并且允许供电电源阢 可以是未经稳定的直流电压源，允许输入电压在较大的范围内变化。 ( 3 ) 反馈放大器构成的恒流源 恒流源要求内阻无限大，而电流串联负反馈可以提高放大器的输出阻抗，因此，采 用运算放大器负反馈可获得恒流特性。 言 图1 5 基于运放的恒流源 f i g 1 5 t h ec o n s t a n tc u r r e n ts o u r c 圮b a s e do no p e r a t i o n a la m p l i f i e r 在图1 5 中，r l 、墨为负载电阻和负反馈电阻，以为稳定电压。设，o 为输出电流， 则反馈电压以。l r ，运算放大器输出电压圪一i o ( r 。+ b ) ，而运算放大器的输入电压为 y 。2 ；墨! 墨k 墨! !( 1 7 ) k ak a 敝为运算放大器的电压增益，又由k = 以一u 。一以一l o r f ，可得输出电流 l ：型l ( 1 8 ) 大连理工大学硕十学位论文 一般情况下，增益k 1 ，即有( 1 + k 地k b r ，则( 1 8 ) 式可化简为，o - 等 可见，输出电流，o 和负载电阻变化无关，故该电路是恒流源电路。当功率要求较 大时，可以采用运算放大器驱动功率管的功率放大电路，实现较大电流的输出。 1 3 课题的研究内容 1 3 1 课题的研究意义 在以上的论述中，我们可知，恒流充放电测试法在对超级电容器的测试方法中是一 种比较直观、准确的测试方法，也是一种主要的测试方法。而作为超级电容器的恒流源 测试设备，目前在市场上国内产品输出电流较小，这对于研究超级电容器大电流充放电 性能的研究，显然是不够的，而国外的大电流恒流测试设备，价格及其昂贵，因此，为 了满足超级电容器实验研究的要求，本文在设计大电流恒流充放电测试设备方面进行了 初步的研究和探讨，并制作了一个能用于超级电容器进行大电流循环充放电测试的恒流 测试系统，该系统也可用于蓄电池等储能器件的充放电研究与测试。 1 3 2 课题的目的与任务 本文采用恒流控制技术，设计并制作基于p i c 单片机控制的恒流测试系统，主要完 成以下几个方面的任务： ( 1 ) 构建恒流充放电主电路。采用模块化概念，设计恒流的基础电路，充电电路 ( 即恒流源) 与放电电路( 即有源电子负载电路) 以基础电路为蓝本，少量扩张外围电 路来实现功能的转换。 ( 2 ) 设计基于p i c 单片机的采样反馈控制系统，实现对恒流源的智能化管理及检 测。可以有效地设置超级电容器充放电模式。 ( 3 ) 供电电路采用开关稳压电源，独立设计为恒流源的供电电源，可以根据超级 电容器充放电功率不同需要设计不同的供电功率。 恒流测试系统采用单片机技术和p i 控制算法，实现对超级电容器智能充放电测试， 并具有自诊断功能和实时处理能力。并使恒流测试设备具有更高的可靠性、可调试性及 可控性。 基于单片机控制的恒流测试系统 1 4 论文的总体结构 本文的任务是设计一个基于p i c 单片机控制系统的恒流测试系统，主要设计了充放 电主电路、单片机控制系统和供电电源电路等硬件电路，并介绍了单片机软件设计思想 及软件设计流程。 本文正文各章节内容安排如下： 第一章绪论。主要介绍了本课题的研究背景及意义，研究现状并引出本课题的研究 内容。 第二章系统总体设计方案。介绍了系统设计主要思路，并简述系统工作原理及功能 模块的划分。 第三章系统硬件设计。主要对各个功能模块单元的具体电路进行设计。 第四章系统软件设计。阐述了软件设计思想，并基于模块化设计思想对软件的各个 模块的开发流程进行了介绍。 第五章系统功能调试。主要介绍系统软件部分和硬件部分的调试过程。 大连理工大学硕十学位论文 2 恒流测试系统总体设计 2 1系统性能指标 本文设计的恒流测试系统，为超级电容器提供稳定的直流充电电源及恒定的放电电 流，用于对超级电容器实现恒流充放电测试，具体的性能指标如下： 输入电压：单相2 2 0 v 1 0 ( 稳态波动) 输入功率：3 1 0 w 输出电压：8 二 。 ： 量 辱曩 e 恒演浯毫终 铭 艺i o ； 磬，。 ；二。 e 芏 。 一 兰：| 。 ；号一： v 点0 恒渲源毫硌 ：j 二：m“。瞄溉h1 2 1 1i 0 撬钿 ；二 蕾二1 知； m 融国1k圆 图3 5 控制电压分别为2 5 v 与5 v 时输出采样电压 f i g 3 5 t h eo u t p u tc u r r e n tw h e nc o n t r o lv o l t a g ef o rt h e2 5 va n d5 v 基于单片机控制的恒流测试系统 经过仿真和电路试验，以上的电路作为恒流源是可行的，输入电压范围较广，恒流 精度可达0 1 ，电流可调范围也较广。可以作为超级电容器的充电电路。 3 1 4 充放电主电路功能转换原理 从以上分析可知，直流电子负载在恒电流工作模式时，流入电子负载的电流依据所 设定的电流值而保持恒定，与输入电压无关，此时的有源电子负载通过功率管的耗散功 率和功率电阻的热能损耗来消耗电能，相当于一个耗能的恒流源。因此，将恒流源电路 和有源电子负载电路有机结合起来，通过少量的外围电路和继电器控制，实现恒流充电 和恒流放电的功能转换，可以节省成本，提高效率。 因此，充放电主电路由两部分组成，即恒流源和有源电子负载，其设计思想是由恒 流源给超级电容器充电，之后超级电容器再通过恒流模式下的有源电子负载放电，由继 电器控制充、放电功能的自动转换。原理图如图3 6 所示。 图3 6 充放电功能转换图 f i g 3 6c h a r g ea n dd i s c h a r g ef u n c t i o n so ft h ec o n v e r s i o nd i a g r a m 图中左虚线框为恒流源，右虚线框为有源电子负载，k a 、k b 是继电器，他们的 状态由单片机控制。在充电方式下，k a 合向a l 、k b 合向b 1 ，接通供电电路，对超级 电容器充电；在放电方式下，k a 合向a 2 、k b 合向b 2 ，接通超级电容器放电回路，回 路中采用耗能电阻、功率器件来消耗电能。单片机通过输出高、低电平，控制开关k a 、 k b 的转换，实现恒流充电和恒流放电的切换，即恒流源和有源电子负载之间的切换。 大连理工大学硕士学位论文 本设计采用8 脚的电磁继电器来切换系统的工作状态。电磁继电器是在输入电路电 流的作用下，有机械部件的相对运动产生预定响应的一种继电器，主要利用电磁感应原 理进行工作，当在继电器的线圈两头加上其线圈的额定电压时，线圈中就会流过一定的 电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯， 从而带动衔铁的动触点与静触点( 常开触点) 吸合；当线圈断电后，电磁吸力也随之消 失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点和原来的静触点( 常闭触点) 闭合，通过继电器线圈的吸合与释放就在电路中起到了接通和切断电路的开关作用。 本设计中，电路的控制信号来自p i c 单片机r a 端口r a 5 引脚，在常态下，单片 机在r a 端口r a 5 引脚为低电平，继电器处于常闭状态，此时是接通供电电源，给超级 电容器充电；当超级电容器端电压达到预定的电压值时，p i c 单片机在r a 5 引脚处输出 高电平，光耦的二次侧中产生电流，三极管导通，在继电器中产生吸合电流，继电器动 作，超级电容器由充电状态转换到放电状态。 jjr g b d lg n d 图3 7 继电器驱动电路图 f i g 3 7r e l a yd r i v e rc i r c u i td i a g r a m 图中二极管d 3 是为了保护三极管等驱动元器件，当图中的三极管由导通变为截止 时，流经继电器线圈的电流将迅速减小，此时线圈会产生很高的自感电动势与电源电压 叠加后加在三极管的集极与射级之间，会使三极管击穿，并联2 ：- - 极管后，可将线圈的 自感电动势箝位在二极管的正向导通电压，从而避免击穿三极管。 基于单片机控制的恒流测试系统 3 1 5 采样检测电路 通过对超级电容器的电流及端电压检测，显示出恒流充电及放电过程中超级电容器 端电压随时问的变化规律，用于研究超级电容器性能。采样电路是对输出电流和电压的 实时采集，并实现控制系统对电路监控的电路，可分为电压采样电路和电流采样电路， 两个采样电路结构基本相同，都是通过对采样电阻检测，经过信号调理，然后送入单片 机处理。 ( 1 ) 电压采样电路 电压采样电路检测超级电容器两端的电压，采用电阻分压检测，被检测电压经过r 。、 r ：、的分压，检测到的电压信号经过信号调理电路后放大5 倍，送入单片机模拟 端口r a l 中。信号调理电路采用高阻抗差动放大器，本电路具有共模抑制比大，输入 阻抗高等优点，可以满足设计要求。其电路原理图如图3 8 所示。 图3 8 电压采样电路图 f i g 3 8v o l t a g es a m p l i n gc i r c u i td i a g r a m 电路分析如下：信号调理电路前级即a 1 和a 2 运放组成的放大电路，则前级输出 电压为 ”警r 杼警恐 ( 3 7 ) 大连理t 大学硕士学位论文 由于共模电压为k 一五1 形，+ ) ，差模电压为圪一k 。一，代入( 3 7 ) 式中可得 伽k + 三+ 惫嵋哇+ 移 吩三一惫圪吩哇+ 鼢 又有后级输出电压为 圪一葛o + 卺此