超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置電壓采集電路設(shè)計(jì)

朱芳

摘 要：介紹了超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的各組成部分進(jìn)行闡述和說(shuō)明。針對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求，設(shè)計(jì)了一種性能穩(wěn)定、高精度的電壓采集電路。分析了電路的原理，給出了電路的原理圖。對(duì)電路的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，通過(guò)軟件處理和溫度補(bǔ)償，提高了電路的測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)表明，該電壓采集電路能夠滿足超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的要求，具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能系統(tǒng) 超級(jí)電容 電壓采集 數(shù)據(jù)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TM53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）07（c）-0050-02

隨著新材料的不斷發(fā)現(xiàn)和儲(chǔ)能技術(shù)的飛速發(fā)展，儲(chǔ)能裝置在電動(dòng)汽車(chē)、光伏系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心和軌道交通等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。超級(jí)電容作為儲(chǔ)能裝置的重要組成部分，其性能的好壞影響著整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。電壓采集電路作為超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的重要組成部分，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到十分重要的作用。

本文設(shè)計(jì)了一種高性價(jià)比的電壓采集電路，電路采用LM358運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)超級(jí)電容兩端的電壓進(jìn)行差分采集，獲取超級(jí)電容的兩端電壓。利用PCF8591實(shí)現(xiàn)采集電壓數(shù)據(jù)的讀取，AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在各通道的指定寄存器中，控制芯片通過(guò)I2C協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。通過(guò)對(duì)讀取的電壓和實(shí)際電壓數(shù)據(jù)的對(duì)比，分析系統(tǒng)的電壓采樣精度。利用軟件調(diào)整和溫度補(bǔ)償方式，提高了系統(tǒng)的電壓采樣精度。最后，給出了改進(jìn)前后系統(tǒng)的電壓采集曲線。

1 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)介紹

超級(jí)電容作為一種新式儲(chǔ)能元件，具有響應(yīng)速度快、功率密度大、效率高、維護(hù)簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。因超級(jí)電容器具備的優(yōu)異的長(zhǎng)壽命特性，其還可作為系統(tǒng)的備份電源使用，提高系統(tǒng)整體的可靠穩(wěn)定性。

儲(chǔ)能系統(tǒng)主要用于能量的存儲(chǔ)，通過(guò)能量轉(zhuǎn)化的方式將電能存儲(chǔ)在超級(jí)電容器中。目前，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合較為廣泛，其系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)也有較大差異。以光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

白天，光伏系統(tǒng)將發(fā)出的電能直接供給直流負(fù)載，并將多余的電能通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換電路存儲(chǔ)在儲(chǔ)能模塊中；夜晚，光伏儲(chǔ)能模塊通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換電路將存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)化為電能，供給直流負(fù)載使用。光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中，儲(chǔ)能模塊起到調(diào)節(jié)負(fù)載的作用，延長(zhǎng)了系統(tǒng)的工作時(shí)間，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 電壓采集電路設(shè)計(jì)

為保證系統(tǒng)電路的安全可靠運(yùn)行，對(duì)電壓采集電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。電路采用差分采集的方式，實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容兩端的電壓數(shù)據(jù)采集，電壓采集電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

差分采集后的電壓經(jīng)過(guò)電壓跟隨電路連接至AD芯片的指定引腳。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

通過(guò)線性穩(wěn)壓電源對(duì)設(shè)計(jì)的電壓采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)示波器獲取穩(wěn)壓電源的實(shí)際輸入功率，讀取液晶顯示屏上系統(tǒng)采樣后的電壓數(shù)據(jù)。

結(jié)合獲取的測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制出給定電壓和測(cè)試電壓的對(duì)比曲線，如圖3所示。

式中，Vdata表示數(shù)據(jù)處理后的電壓值；Vsample表示采樣電壓值；TEMP表示芯片運(yùn)行的環(huán)境溫度。利用上述公式，對(duì)采樣獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，給定電壓數(shù)據(jù)和處理后數(shù)據(jù)的曲線如圖4所示。

由圖4可知，處理后的數(shù)據(jù)同給數(shù)據(jù)相比誤差較小，最大誤差小于1%，有效滿足系統(tǒng)對(duì)電壓的測(cè)量精度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

電壓采集電路通過(guò)差分測(cè)量的方式獲取超級(jí)電容兩端的電壓，提高了硬件電路的可靠性。分析對(duì)比了電壓采集電路在給定電壓條件下獲取的測(cè)試電壓數(shù)值，通過(guò)軟件方式對(duì)測(cè)量電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償后的電壓數(shù)據(jù)和給定電壓數(shù)據(jù)的對(duì)比可知，補(bǔ)償后的電壓數(shù)據(jù)和給定電壓數(shù)據(jù)的誤差小于1%，有效提高了系統(tǒng)的電壓測(cè)量精度。

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