超級電容儲能裝置電壓采集電路設計

朱芳

摘 要：介紹了超級電容儲能系統的整體結構，對儲能系統的各組成部分進行闡述和說明。針對超級電容儲能裝置系統的特點和要求，設計了一種性能穩定、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。對電路的實際運行數據和測試數據進行了分析，通過軟件處理和溫度補償，提高了電路的測量精度。實驗表明，該電壓采集電路能夠滿足超級電容儲能裝置的要求，具有廣泛的應用場景。

關鍵詞：儲能系統 超級電容 電壓采集 數據分析

中圖分類號：TM53 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（c）-0050-02

隨著新材料的不斷發現和儲能技術的飛速發展，儲能裝置在電動汽車、光伏系統、數據中心和軌道交通等領域獲得了廣泛的應用。超級電容作為儲能裝置的重要組成部分，其性能的好壞影響著整個儲能系統的穩定運行。電壓采集電路作為超級電容儲能裝置的重要組成部分，對系統的穩定運行起到十分重要的作用。

本文設計了一種高性價比的電壓采集電路，電路采用LM358運算放大器實現，通過對超級電容兩端的電壓進行差分采集，獲取超級電容的兩端電壓。利用PCF8591實現采集電壓數據的讀取，AD轉換后的數據存儲在各通道的指定寄存器中，控制芯片通過I2C協議實現數據的讀取。通過對讀取的電壓和實際電壓數據的對比，分析系統的電壓采樣精度。利用軟件調整和溫度補償方式，提高了系統的電壓采樣精度。最后，給出了改進前后系統的電壓采集曲線。

1 超級電容儲能系統介紹

超級電容作為一種新式儲能元件，具有響應速度快、功率密度大、效率高、維護簡單、對環境無污染等優點。因超級電容器具備的優異的長壽命特性，其還可作為系統的備份電源使用，提高系統整體的可靠穩定性。

儲能系統主要用于能量的存儲，通過能量轉化的方式將電能存儲在超級電容器中。目前，超級電容儲能系統的應用場合較為廣泛，其系統電路結構也有較大差異。以光伏儲能系統為例，超級電容儲能系統的電路結構如圖1所示。

白天，光伏系統將發出的電能直接供給直流負載，并將多余的電能通過DC/DC轉換電路存儲在儲能模塊中；夜晚，光伏儲能模塊通過DC/DC轉換電路將存儲的能量轉化為電能，供給直流負載使用。光伏儲能系統中，儲能模塊起到調節負載的作用，延長了系統的工作時間，有利于系統的穩定運行。

2 電壓采集電路設計

為保證系統電路的安全可靠運行，對電壓采集電路進行設計。電路采用差分采集的方式，實現超級電容兩端的電壓數據采集，電壓采集電路的結構如圖2所示。

差分采集后的電壓經過電壓跟隨電路連接至AD芯片的指定引腳。

3 測試數據分析

通過線性穩壓電源對設計的電壓采集系統進行測試，通過示波器獲取穩壓電源的實際輸入功率，讀取液晶顯示屏上系統采樣后的電壓數據。

結合獲取的測試數據，繪制出給定電壓和測試電壓的對比曲線，如圖3所示。

式中，Vdata表示數據處理后的電壓值；Vsample表示采樣電壓值；TEMP表示芯片運行的環境溫度。利用上述公式，對采樣獲取的數據進行處理，給定電壓數據和處理后數據的曲線如圖4所示。

由圖4可知，處理后的數據同給數據相比誤差較小，最大誤差小于1%，有效滿足系統對電壓的測量精度要求。

4 結語

電壓采集電路通過差分測量的方式獲取超級電容兩端的電壓，提高了硬件電路的可靠性。分析對比了電壓采集電路在給定電壓條件下獲取的測試電壓數值，通過軟件方式對測量電壓數據進行補償。補償后的電壓數據和給定電壓數據的對比可知，補償后的電壓數據和給定電壓數據的誤差小于1%，有效提高了系統的電壓測量精度。

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