CN107861002A - 一种超级电容电压检测系统 - Google Patents

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杨建勋
鲁通
杨炜
陈月陵
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    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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Abstract

本发明提供了一种超级电容电压检测系统，包括电压差分采集电路、滤波处理电路、AD采集电路、控制电路、显示电路和上位机；所述电压差分采集电路用于对超级电容两端的电压进行采集，采集后的电压信号经过滤波处理电路后，送至AD采样芯片对应的引脚；控制电路实时读取AD芯片内各通道的电压转化数据，将获取的数据通过显示电路显示；上位机采用MODBUS‑RTU通讯协议实现与各组模块中控制电路的通信；该超级电容电压检测系统能够精确测量到每一块电容两端的电压值，准确判断电容的工作状态和充放电特性；系统结构简单，安装方便，提高了工人的工作效率，增强了超级电容阵列的可靠性。

Description

一种超级电容电压检测系统
技术领域
本发明涉及电压测量技术领域，具体是一种超级电容电压检测系统，特别涉及一种阵列式储能系统中超级电容电压充放电特性及工作过程中电压检测。
背景技术
随着材料技术的发展和工艺进步，低压大容量的超级电容得以面世。超级电容具有能量密度高、寿命长等优点，被广泛应用在电动汽车、微网储能、光伏发电、轨道交通和军事设备等领域。近年来，国家对储能技术的大力推广，超级电容将有着更加广阔的发展空间。
超级电容在出厂前需要进行测试，包括容值、电压保持能力、充放电效率、漏电流和内阻等方面测试。传统测试过程中，需要工作人员将测试数据逐一记录，输入到计算机，然后进行运算。当需要测试的超级电容数量变多时，该方式需要耗费大量的时间，难以满足企业的生产要求。
目前，国内对超级电容的研究较为广泛，例如专利号为CN103630773A专利公开了一种超级电容管理系统的监测装置，该装置采用单片机作为控制芯片，实现对超级电容电压、漏电流和电流的监测，但是装置测量电压的是超级电容组的总电压，不能对单个超级电容电压进行有效检测。专利号为CN105304346A专利公开了一种基于CAN总线通信的超级电容监控系统，该系统通过检测超级电容的电压、电流和温度的数据，实现超级电容工作状态的判断，但是该系统仅用于故障状态的判断，数据存储量较小，无法实现超级电容充放电曲线的生成。因此，一种能够有效检测超级电容充放电特性，实现大批量超级电容电压特性检测的系统亟待研究。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种超级电容电压检测系统，其利用差分检测原理，通过高精度电压采集电路，实现超级电容工作电压的采集和充放电曲线绘制；结合系统采集的数据，实现超级电容性能的判断。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种超级电容电压检测系统，其特征在于：包括电压差分采集电路、滤波处理电路、AD采集电路、控制电路、显示电路和上位机。超级电容的电压信号经过差分采集、滤波处理后进入AD采集电路，通过AD转化后，模拟信号转变为离散的数字信号，控制电路按照软件设定的时间间隔实现对信号的读取，通过系统算法判断电容的实际电压和性能；采集的电压数据通过显示电路显示，上位机通过MODBUS-RTU协议实现对数据的远程读取。
所述电压差分采集电路采用运算放大器设计而成，通过检测单个超级电容两端的电位差实现对超级电容电压的检测。电路运算放大器采用功能强大的高速运放，电阻采用精密电阻。
所述滤波处理电路用于对差分后的获取的电压信号滤波，减少噪声信号对系统的影响，防止系统误判。滤波处理电路采用低通有源滤波电路结构，采用高速运算放大器实现电路的滤波功能；滤波处理电路的阻尼比设置为0.707，截止频率设置为100KHz。
所述AD采集电路用于对滤波后的电压进行采集，通过逐次逼近的方式，实现对调理信号的采样。AD采集电路选用12位高精度AD转换芯片，每个芯片具有8路以上AD通道，芯片支持I2C总线协议。
所述控制电路用于AD采样电路的数据读取、电压值的计算、超级电容性能判断、显示电路控制和上位机通信。
所述显示电路采用工业液晶显示屏，用于超级电容阵列中各电容两端电压显示、工作状态显示、充放电曲线显示和历史曲线显示。
进一步的，所述控制电路包括控制芯片、电源电路、时钟电路、存储电路和通信电路。控制芯片采用STM32F3系列芯片，时钟电路采用外置晶振，电源电路采用5V转3.3V芯片，通信电路采用MAX485设计而成。
本发明采用多组模块串并联的方式进行超级电容组电压采集，简化了电路的结构。通过高精度差分电路和滤波电路的应用，提高了电压采集电路的采样精度和抗干扰能力，保证了电路信号的可靠性。系统根据采集信号判断超级电容性能，通过显示电路准确实现电容电压、工作状态、工作曲线的显示。该电压检测系统简化了系统的复杂程度，提高了超级电容电压特性检测的效率。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图。
图2为本发明的差分电路原理图。
图3为本发明的滤波电路原理图
图4为本发明的软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种超级电容电压检测系统包差分电压采集电路1、滤波处理电路2、AD采集电路3、控制电路4、显示电路5和上位机6。差分电路1的输入端同被测超级电容的两极相连接，输出端连接到滤波处理电路2的输入端；滤波处理电路2后级连接至AD采集电路3的指定输入通道；控制电路4通过SCL和SDA两根线同AD采集电路3的输出端相连接；控制电路4通过两路信号电缆分别连接到显示电路5和上位机6。
差分采集电路1用于超级电容两端电压的采集，电路结构如图2所示。差分采集电路1的两路输入端为INPUT1+和INPUT1-，R1、R2、R3和R4用于控制输入信号和输出信号的比值；R2和C1组成输入信号滤波电路，降低干扰信号对系统的影响；R3和C2组成滤波电路，用于抑制高频抖动； D4用于限制输出电压幅值，防止AD采样芯片因电压过高而损坏。
滤波处理电路2用于电路中噪声信号的虑除，电路结构如图3所示。R10、R11、R12、R13、C10、C11和运算放大器U2组成滤波处理电路2，电路中电阻电容均采用精密器件；电路采用二阶低通有源滤波结构，阻尼比设置为0.707，截止频率设置为100KHz。
AD采集电路3采用逐次逼近的方式将模拟电压信号转化为数字信号，AD采集电路3将转化后的数字信号存储到芯片指定的寄存器中；AD采集电路3中，每个AD芯片均设定一个有效的地址，控制电路4通过I2C总线协议实现指定AD芯片内部数据的读取。
主控电路4包括控制芯片、电源电路、时钟电路、存储电路和通信电路；控制芯片用于整个系统的数据读取、判断和控制；电源电路用于将5V电源转化为3.3V电源，保证控制电路4工作；时钟电路为主控电路4提供时钟源，使电路按照时序有序工作；存储电路用于采集数据、电容工作状态的存储，电路采用读写SD卡的形式实现；通信电路用于主控电路4和显示电路5、上位机6的信息交互，电路采用MAX485芯片设计。
超级电容电压监测系统中，差分电压采集电路1和滤波处理电路2集成在一起，每8路输出信号同一个AD采集电路3相连；控制电路4通过I2C总线协议实现对n路AD采集电路3信息的读取；上位机6通过MODBUS-RTU协议实现与n路控制电路4的信息交互。
本发明的软件流程如图4所示，开机运行时，系统首先进行自检和初始化操作；系统初始化结束后，通过I2C协议，按照设定的周期和地址读取顺序，读取各AD采集电路的电压参数；控制电路4判断各采样模块的数值是否读取完毕，并将获取的电压数据进行处理；对处理后的电压数据进行统计，判断被测试的超级电容性能是否正常。对工作特性不正常电容的数据进行保存，将数据及状态通过显示电路5报警显示；对工作特性正常的超级电容，系统自动保存检测数据和工作状态，绘制出超级电容的工作曲线并将数据发送至上位机6，实现电压数据的远程读取。
以上所述仅为本发明部分实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改和同等替换改进等，均应包含在本发明的保护之列。

Claims (7)

1.一种超级电容电压检测系统，其特征在于：包括电压差分采集电路(1)、滤波处理电路(2)、AD采集电路(3)、控制电路(4)、显示电路(5)和上位机(6)；
其中，电压差分采集电路(1)用于超级电容电压的获取，控制电路(4)用于电压信号的读取、判断、处理和存储，显示电路(6)用于超级电容电压数据、工作状态和工作曲线的显示。
2.根据权利要求1所述的一种超级电容电压检测系统，其特征在于：所述电压差分采集电路(2)包括精密电阻、电容和运算放大器，电路的通过调节R1、R2、R3和R4电阻之间的比值关系实现输出信号幅值的调节。
3.根据权利要求1所述的一种超级电容电压检测系统，其特征在于：所述滤波处理电路(2)采用二阶低通有源滤波结构，阻尼比设置为0.707，截止频率设置为100KHz。
4.根据权利要求1所述的一种超级电容电压检测系统，其特征在于：所述AD采集电路(3)采用8通道12位高精度AD芯片组成，电路采用逐次逼近方式准确实现8路电压信号采集，采集的电压数据被存放在芯片内部寄存器中。
5.根据权利要求1所述的一种超级电容电压检测系统，其特征在于： 所述控制电路(4)用于电压数据的读取、判断、处理和存储，显示电路(5)的控制及上位机(6)的信息交互。
6.根据权利要求1所述的一种超级电容电压检测系统，其特征在于：所述显示电路(6)采用工业液晶显示屏，用于超级电容两端电压、工作状态、充放电曲线和历史曲线显示。
7.根据权利要求1所述的一种超级电容电压检测系统，其特征在于： 所述控制电路(4)通过I2C总线协议读取各AD芯片内的电压数据，控制电路(4)和显示电路(5)、上位机(6)之间采用MODBUS-RTU协议通信。
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