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